CN103810831A - 应用于电力信息采集中的数据传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于电力信息采集中的数据传输装置，包括：处理器分别与电源电路、GPRS电路、以太网电路、串口电路、硬件看门狗电路和外部复位电路连接；负责GPRS无线数据和串口数据的协议转换，并将GPRS电路接收的无线数据转换成串口数据，经以太网电路或RS232串口电路与配电柜通信。本发明与后台服务器通信采用无线连接方式，减少布线给工程带来的安全隐患；与配电柜中信息的传输采用多种接口：RS232接口或以太网；增强系统的抗干扰性，很好的抑制了差模和共模干扰；电源部分采用抗雷击设计，每一条数据线都有热敏电阻保护；系统具有手动复位和自动复位两种功能，增强了系统的稳定性，装置采用抗雷击设计，减少了事故率的发生。

Description

应用于电力信息采集中的数据传输装置

技术领域

本发明涉及一种在GPRS和以太网之间进行数据传输的装置，具体地说是一种应用于电力信息采集中的数据传输装置。

背景技术

随着物联网和无线技术的发展，无线数据传输业务越来越多的应用于各种场合。这种业务能够为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。在电力系统自动化、工业控制、交通管理等部门都得到广泛的应用。

配电柜在变电站中应用及其广泛，而且数量很大。配电柜中有各种接线端子、各种模拟和数字信号。由于配电柜中空间有限，采用有线的方式进行数据传输，在配电柜中占用空间，而且存在不安全隐患。本发明所研究的基于GPRS无线数据传输装置，解决了配电柜中布线不安全的隐患，而且还保证了数据的正常通信。

发明内容

应用于电力信息采集中的数据传输装置，主要功能是通过GPRS无线网络接收后台服务器数据指令，然后将数据通过以太网或是RS232串口传递给配电柜中的相应设备。整个数据传输过程安全可靠，设备建立重传机制，如果传输的数据受到干扰不符合要求，数据将会被丢弃，重新接收下一包完整数据。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于包括：

处理器：分别与电源电路、GPRS电路、以太网电路、串口电路、硬件看门狗电路和外部复位电路连接；负责GPRS无线数据和串口数据的协议转换，并将GPRS电路接收到的无线数据转换成串口数据，经以太网电路或RS232串口电路与配电柜通信；

电源电路：将外部电源进行隔离处理，并转换为不同电压至处理器、GPRS电路、以太网电路、串口电路、硬件看门狗电路和外部复位电路；

GPRS电路：接收处理器的控制信号来控制该电路是否启用；

以太网电路：与处理器采用SPI接口通信；

串口电路：将经处理器转换的数据与输出的数据进行信号隔离；

硬件看门狗电路：与处理器连接并监测处理器的运行状态；

外部复位电路：与处理器连接并在处理器异常时通过手动进行重启。

所述电源电路包括：

电源隔离电路：将电压转换芯片的输入端与接地端之间接入电容、压敏电阻、瞬态二极管和外部电源的并联电路；电压转换芯片的输出电压端通过电容C3与地连接，瞬态二极管D2与C3并联，D1与D3串联后与D2并联，C1与C7串联后与C3并联，D1与D3串联的中点和C1与C7串联的中点经R1与大地连接；

低压转换电路：电源隔离电路中电压转换芯片输出电压端接入电压转换芯片的输入端；电压转换芯片的输出端连接电压隔离芯片；电压转换芯片输出电压至处理器、以太网电路、硬件看门狗电路和外部复位电路；所述电压隔离芯片的输出端给串口电路供电；

GPRS供电电路：电源隔离电路中电压转换芯片输出电压端接入电压转换芯片的输入端；该芯片使能端接收处理器的控制信号，输出电压给GPRS电路供电。

所述GPRS电路采用密脚插件，该密脚插件与处理器的发/收数据引脚连接；插件电源端与GPRS供电电路中电压转换芯片的输出端相连接；插件的各引脚分别与SIM卡的I/O、时钟、复位引脚连接；SIM卡的I/O、时钟、复位引脚分别与保护芯片的3个输入端连接。

所述以太网电路采用以太网芯片，该芯片的电源端与低压转换电路中电压转换芯片的输出端连接；该芯片输入端接收处理器的片选、时钟、中断、中断输出、数据输入、数据输出信号；LED输出端与网口LED端连接；网口的差分数据发送接口正负端分别串联热敏电阻与以太网芯片的数据发送接口连接，该正负端之间还连有两个串联的空气放电管与一个空气放电管的并联电路，所述两个串联的空气放电管的中点接地；网口的差分数据接收接口正负端分别串联热敏电阻与以太网芯片的数据接收接口连接，该正负端之间还连有两个串联的空气放电管与一个空气放电管的并联电路，所述的两个串联的空气放电管的中点接地；所述串联热敏电阻与以太网电路连接的一端还连接防静电二极管保护芯片；

所述网口差分数据收/发接口都连接上拉电阻，其中网口差分数据接收端口正负端的上拉电阻并联后再串联磁珠。

所述网口内置有网络变压器；通过网线与配电柜的接口相连接。

所述串口电路采用隔离芯片，该芯片的数据发送端与数据接收端之间连有两个串联的瞬态抑制二极管D4、D6与一个瞬态抑制二极管D5的并联电路，D4、D6连接的中点接地；该芯片的数据发送端与数据接收端还分别通过串联热敏电阻PPTC1、PPTC2与配电柜的接口相连接；所述PPTC1、PPTC2与配电柜接口连接的两端之间还连有两个串联的空气放电管GDT1、GDT3与一个瞬态抑制二极管GDT2的并联电路，GDT1、GDT3连接的中点接地。

所述硬件看门狗电路采用看门狗芯片，该芯片输出复位信号至处理器的复位端。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.与后台服务器通信采用无线连接方式，减少布线给工程带来的安全隐患。

2.与配电柜中信息的传输采用多种接口：RS232和以太网。

3.电源输入采用隔离电源，增强系统的抗干扰性。电源线间采用SMBJ12CA二极管，很好的抑制了差模和共模干扰。

4.电源部分采用抗雷击设计，每一条数据线都有热敏电阻保护。

5.系统具有手动复位和自动复位两种功能，当系统运行异常或是程序跑飞时，可通过手动按钮或是系统自带的硬件看门狗来使系统恢复运行，增强了系统的稳定性。

6.由于本装置采用无线信号传输，降低了配电柜中布线带来的安全隐患，装置采用抗雷击设计，减少了事故率的发生。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的原理图框图；

图3为本发明的输入电源原理图；

图4为本发明的GPRS电源原理图；

图5为本发明的低电压转换原理图；

图6为本发明的以太网控制电路原理图；

图7为本发明的串口232电路原理图；

图8为本发明的GPRS模块接口电路原理图；

图9为本发明的硬件电路看门狗原理图；

图10为本发明的系统复位电路原理图；

图11为本发明的系统处理器引脚图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明用于配电柜中信号量的数据传输，将配电柜中的信息通过以太网或是RS232串口和GPRS与后台服务器通信。

宽电压隔离电源输入：输入电源采用DC 5～36V输入，并且设备电源与配电柜中电源是隔离的。该装置电源有防雷保护，能够有效的避免10KV雷击电压。

中央处理器电路：该部分电路负责是GPRS无线数据和串口数据协议转换的平台，GPRS无线数据通过中央处理器，将数据转换成串口数据传递到配电柜中。

GPRS无线通信电路：该部分电路主要是负责数据无线传输。

数据通信电路：该部分主要由以太网和RS232串口构成。可以根据配电柜中实际需要，从而选择是那种接口方式。

安全防护电路有两部分组成，一部分是手动系统复位；另一部分是硬件看门狗复位。手动复位是当希望出现异常，手动按钮进行系统复位。硬件看门狗复位是系统程序出现跑飞或是异常，系统本身自己复位。

本发明是一种基于GPRS无线技术和串口通信技术的数据传输装置，该装置包括以下几部分电路：电源电路、指示灯电路、以太网控制电路、RS232串口电路、GPRS模块接口电路、硬件看门狗电路和系统复位电路。

如图1所示，应用于电力信息采集中的数据传输装置的系统框图。整套系统由终端采集设备、GPRS无线网络和后台服务器等构成。终端采集设备（本实施例中为本发明的数据传输装置）主要通过以太网或是RS232串口与配电柜进行通信，采集的信息主要包括电压、电流和一些开关量控制信息，然后将采集到的信息通过GPRS无线网络传输到后台服务器，后台服务器在对采集到的信息进行汇总、处理，形成文字、图像，然后备份到后台数据库。本发明主要完成是信号采集量到GPRS无线传输部分，下面以负载过流保护加以详细说明。

通信接口选择：与配电柜通信采用以太网或是RS232接口，与后台服务器通信采用GPRS无线网络。

如图2所示，处理器分别与电源电路、GPRS电路、以太网电路、串口电路、硬件看门狗电路和外部复位电路连接；负责GPRS无线数据和串口数据的协议转换，并将GPRS电路接收的无线数据转换成串口数据，经以太网或是RS232电路与配电柜通信。其中，指示灯电路包括多个LED灯，由电源电路供电。

当配电柜中某条线缆因故障造成电流过大，配电柜中传感器产生报警信号，信号通过以太网接口HR911105A和以太网芯片ENC28J60将数据传递给处理器STM32F103C8T6，处理器将数据重新打包封装，与GPRS模块进行串口通信，通过GPRS无线网络，将数据传到后台服务中心。后台接收到数据后，对数据进行分析处理，判断出是某条线路的故障，从而产生对应于某条线路的控制报警信号，控制报警信号一样通过GPRS无线网络，数据传输装置中的GPRS无线模块在接收到信息后，将信息通过串口管脚15和管脚17传递给处理器，处理器再将此数据拆包、封包通过以太网传递给配电柜。配电柜在接收到信息后，进行相应的处理操作。完成一次数据传输的任务。

如图3所示，本系统采用直流5V到36V供电，且外部电源与内部电源进行隔离处理，从而更好的降低了外部噪声对系统的影响。电源部分并联安规电容C1、C3、C7、C8，有效的抑制雷击干扰；还并联二极管TVS-SMBJ48A。D1、D2、D3三个TVS二极管（TVS-SMBJ12CA）有效的消除电源端的共模和差模干扰。系统电源输入端并联RL1206A600K压敏电阻，对系统的电源有很好的保护作用。如图4所示，为降低系统功耗和提高系统的稳定性，GPRS供电采用外部可控的MIC29302WU，为模块提供+4V电源。当不用GPRS模块或是模块出现异常需要重启的时候，可通过一根I/O口线对MIC29302WU的管脚1进行开关控制。图5所示，处理器部分以及以太网部分由AMS1117-3.3V供电。因为串口RS232通信部分需要与外界隔离，所以供电采用隔离电源B0303XT-W2。

如图6所示，以太网部分由主芯片ENC28J60构成，他与处理器采用SPI接口通信，大大的降低了其外围电路的复杂性，与外部接口采用HR911105A，网络变压器内置于HR911105A内部，使系统集成度大大提高。网络差分数据线采用空气放电管GDT4、GDT5、GDT6、GDT7、GDT8、GDT9，热敏电阻PPTC3、PPTC4、PPTC5、PPTC6和防静电二极管保护SLVU2.8-4，增强了系统在工业现场应用的稳定性。每条数据线上都有一个精度为1%的49.9欧姆的上拉匹配电阻，其中差分数据接收端口在上拉电阻的顶端还接有一个100欧姆的磁珠，以减少电源噪声串入数据线，影响通信效果。

如图7所示，RS232串口部分采用AD公司生产的ADM3251EARWZ，它具有输入与输出数据信号隔离的作用，并且在数据线上采用了空气放电管GDT1、GDT2、GDT3，热敏电阻PPTC1、PPTC2和瞬态抑制二极管（TVS-SMBJ12CA）D4、D5、D6。这些能够很好的抑制外部对系统的干扰。

如图8所示，GPRS模块采用西门子公司的MC52iR3，该模块内嵌TCP\IP协议栈，工作温度宽，与数据传输装置通过50针的密脚插件连接。每条数据线上都与ESDA6V1W5连接，ESDA6V1W5具有防静电的作用。

如图9所示，硬件看门狗电路采用芯片MAX813LESA，1.6秒以内通过处理器的管脚给看门狗管脚6输入一次大于50毫秒的低电平，来保证MAX813LESA芯片管脚8不给处理器复位管脚输出低电平。

如图10所示，手动复位电路，由手动按钮S1来控制，当系统运行异常手动按S1，系统会自动重新启动。

如图11所示，处理器电路，处理器采用ST公司生产的STM32F103C8T6。主要负责接收RS232串口或是以太网的数据，对其进行数据转换，通过GPRS将转换的数据发出。处理器出现程序异常，可通过硬件看门狗或是手动复位对其进行操作，使其回到初始状态。

Claims (8)

1.应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于包括： 

处理器：分别与电源电路、GPRS电路、以太网电路、串口电路、硬件看门狗电路和外部复位电路连接；负责GPRS无线数据和串口数据的协议转换，并将GPRS电路接收到的无线数据转换成串口数据，经以太网电路或RS232串口电路与配电柜通信； 

电源电路：将外部电源进行隔离处理，并转换为不同电压至处理器、GPRS电路、以太网电路、串口电路、硬件看门狗电路和外部复位电路； 

GPRS电路：接收处理器的控制信号来控制该电路是否启用； 

以太网电路：与处理器采用SPI接口通信； 

串口电路：将经处理器转换的数据与输出的数据进行信号隔离； 

硬件看门狗电路：与处理器连接并监测处理器的运行状态； 

外部复位电路：与处理器连接并在处理器异常时通过手动进行重启。 

2.根据权利要求1所述的应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于：所述电源电路包括： 

电源隔离电路：将电压转换芯片的输入端与接地端之间接入电容、压敏电阻、瞬态二极管和外部电源的并联电路；电压转换芯片的输出电压端通过电容C3与地连接，瞬态二极管D2与C3并联，D1与D3串联后与D2并联，C1与C7串联后与C3并联，D1与D3串联的中点和C1与C7串联的中点经R1与大地连接； 

低压转换电路：电源隔离电路中电压转换芯片输出电压端接入电压转换芯片的输入端；电压转换芯片的输出端连接电压隔离芯片；电压转换芯片输出电压至处理器、以太网电路、硬件看门狗电路和外部复位电路；所述电压隔离芯片的输出端给串口电路供电； 

GPRS供电电路：电源隔离电路中电压转换芯片输出电压端接入电压转换芯片的输入端；该芯片使能端接收处理器的控制信号，输出电压给GPRS电路供电。 

3.根据权利要求1所述的应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于： 所述GPRS电路采用密脚插件，该密脚插件与处理器的发/收数据引脚连接；插件电源端与GPRS供电电路中电压转换芯片的输出端相连接；插件的各引脚分别与SIM卡的I/O、时钟、复位引脚连接；SIM卡的I/O、时钟、复位引脚分别与保护芯片的3个输入端连接。 

4.根据权利要求1所述的应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于：所述以太网电路采用以太网芯片，该芯片的电源端与低压转换电路中电压转换芯片的输出端连接；该芯片输入端接收处理器的片选、时钟、中断、中断输出、数据输入、数据输出信号；LED输出端与网口LED端连接；网口的差分数据发送接口正负端分别串联热敏电阻与以太网芯片的数据发送接口连接，该正负端之间还连有两个串联的空气放电管与一个空气放电管的并联电路，所述两个串联的空气放电管的中点接地；网口的差分数据接收接口正负端分别串联热敏电阻与以太网芯片的数据接收接口连接，该正负端之间还连有两个串联的空气放电管与一个空气放电管的并联电路，所述的两个串联的空气放电管的中点接地；所述串联热敏电阻与以太网电路连接的一端还连接防静电二极管保护芯片。 

5.根据权利要求4所述的应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于：所述网口差分数据收/发接口都连接上拉电阻，其中网口差分数据接收端口正负端的上拉电阻并联后再串联磁珠。 

6.根据权利要求4所述的应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于：所述网口内置有网络变压器；通过网线与配电柜的接口相连接。 

7.根据权利要求1所述的应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于：所述串口电路采用隔离芯片，该芯片的数据发送端与数据接收端之间连有两个串联的瞬态抑制二极管D4、D6与一个瞬态抑制二极管D5的并联电路，D4、D6连接的中点接地；该芯片的数据发送端与数据接收端还分别通过串联热敏电阻PPTC1、PPTC2与配电柜的接口相连接；所述PPTC1、PPTC2与配电柜接口连接的两端之间还连有两个串联的空气放电管GDT1、GDT3与一个瞬态抑制二极管GDT2 的并联电路，GDT1、GDT3连接的中点接地。 

8.根据权利要求1所述的应用于电力信息采集中的数据传输装置，其特征在于：所述硬件看门狗电路采用看门狗芯片，该芯片输出复位信号至处理器的复位端。 

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