CN107612804A - 智能变电站rs485镜像集线器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力测控领域，尤其是涉及一种RS485镜像集线器。其特征在于：在嵌入式智能控制器内部对应每一个485设备设置一个镜像CPU，所述的镜像CPU设置两个串口，其中一个串口连接主线与485主机通讯，另一个串口连接485总线与现场对应的485设备通讯；485主机给每个镜像CPU分配唯一的一个地址，每个镜像CPU根据485设备的出厂地址和通讯规约通讯，且只与一台485设备通讯。485主机和485设备之间通讯的数据是经符合地址条件的镜像CPU转发。同一台485设备，其出厂地址保持不变的前提下，当它接至不同的485支线线上时，其地址就被影射不同的值，解决了485设备在更换时需要修改地址的问题，方便快捷地找到现场发生故障的485节点设备，非常有利于现场485设备的安装和调试。

Description

智能变电站RS485镜像集线器

技术领域

本发明属于电子电力测控领域，具体涉及一种智能变电站RS485镜像集线器。

背景技术

RS-485总线基于平衡发送和差分接收，具有很强的抗共模干扰能力，在远程有线数字通信领域使用非常广泛。教科书和实验室中RS-485总线的布线是手牵手的方式的，就决定了布线只能是从A到B，再从B到C…,以此类推，一直到N.所有的监控点都是连在一条485总线上。如图1所示。

这种布线方式在工业现场存在如下问题：

1、由于485总线是通过手牵手的连接方式来连接的，如果监控点增加，那样的布线就非常麻烦，连接关系不清晰，而且容易导致总线的通信不稳定。但在实验室因RS485总线长度较短，无需考虑信号在总线上的反射干扰等问题。

2、只要有一个监控点出现问题，就会导致整个RS-485网络瘫痪。图1中在实验室可以很容易的通过逐一断开485设备A,B,….N,从而找到故障点；但在工业现场，并且故障点很不好找出来，必须要逐一的去测试才可以找到真正的故障点，这样在实际的工业现场中维护是非常困难的。

3、图1中的每一台485设备都要有唯一的一个识别码，即地址。若两台485设备的地址冲突，会造成通讯异常。在实验室修改485设备虽然是一个不困难的事情，但当一个施工现场有较多485设备时，设备地址的档案管理又是一件细心的事情。尤其是当更换设备时，有时会忘记或不懂修改485设备。因地址问题造成485设备不具有互换性。

按照485总线的标准布线规范，485总线布线只能按照总线型拓扑结构进行布线，但是现场环境复杂多变，为了改善问题1，使得线路连接关系清晰，可以使用分配器来适当的改善这一问题。分配器的接线如图2所示，相关地，专利CN104267656A对此进行了论述。

这种简单分配器尽管使总线的连接方式清晰，但带来的问题是485总线布线由总线型拓扑结构而变为星型结构，分支距离长，线路上产生大量的反射波，从而影响通讯质量。因此这种简单分配器的从线出口一般只能带一个485设备。为了改进简单分配器存在的问题，在每个分配器从节点的出口上放大缓冲，简化了其拓扑关系，使得每个从分配器出口节点所带的485设备多余一个，如图3所示，这种分配器一般业界俗称为485集线器。

由图3可以看出，RS-485集线器起到了中继器延长距离和扩充终端数量的作用。对于四路集线器，它的四个分支总线可以分别按串行方式布线，相当于把原来的一组总线按星型方式分成了四组，解决了布线的局限性。另外，当其中一个节点故障导致总线短路时，只会影响到它所在的一组分支总线，而不会影响到其它三组。也就是说，解决了上述的485总线中的问题。为了减少电气干扰，可在图3中各个485芯片中加隔离措施；为了检测各从485芯片所带的从总线上是否出现故障，可在集线器中加CPU或逻辑电路。专利CN202548831U涉及到这一技术。

对于内部加CPU的集线器，又派生出另一功能—485转发器。即将来自主485总线上接收到的数据从另一串口通过另一从485总线转发出去；或者将来自从485总线上接收到的数据通过主485总线转发出去。收到什么，就转发什么。专利CN102752194A对此进行了阐述。

上述的分配器，集中器和转发器均需要工作于现场的485终端设备具有不同的设备地址，为了解决现场485终端设备的地址问题，专利 CN101404604A提出在不需要进行额外人工配置的情况下通过主设备节点通过RS-485网对从设备节点的加入和退出系统进行监管并动态分配从设备节点的地址。但该专利存在的问题是存在着设备地址冲突的风险。例如一个从设备节点的地址被主设备节点自动探测和地址分配的地址为01，该从设备节点A的地址将被自动改写并保存。若该从设备节点A从总线上断开时，因某种原因再接入另一块具有初始地址的从设备节点B，则从设备节点B地址也被主设备节点自动探测和地址分配的地址为01。这时若将该从设备节点A再接入485总线，则从设备节点A，B将因地址冲突而无法正常工作。因此，总体来讲，该方法在现场施工时离热拔插和从设备地址自动识别尚有一段距离。

专利CN105323328A 提出了利用一种通讯协议在485总线上自动识别和分配地址的方法，但这种方法有一个前提，就是从485设备节点（或称485设备）中的控制器中的CPU能送出其唯一的ID号。但地址自动分配后，485设备地址将与测控对象失去关联，造成后台档案管理的混乱。例如：假定1号485设备节点（地址为1）检测变电站1号出线的电压，2号485设备节点（地址为2）检测变电站2号出线的电压，……n号485设备节点（地址为n）检测变电站n号出线的电压。后台档案管理软件根据这一关联关系建立档案。但是若2号485设备节点因损坏而更换新的485设备，根据该专利的方法，新更换的设备被重新分配的地址却不一定是2。尽管这时地址从1--n的所有的485设备都可以将所测数据分别送到485主机上，但2号485设备节点测量的数据却不一定是2号出线的电压.从而导致后台档案管理对应关系出错。其次，若485网络所挂接的485设备节点较多，拓扑关系复杂，因信号反射的原因，地址的动态分配不一定全部成功。

发明内容

本发明的目的是为了让485设备在户外现场时不必考虑其地址问题，同时为了从结构上快速、准确地判断故障节点，并解决上述专利存在的问题，提供一种智能变电站RS485镜像集线器，以期解决长期困扰RS-485总线使用中的地址修改及485节点故障定位的问题。

本发明所采用的技术方案是，智能变电站RS485镜像集线器，包括485主机，485主机通过主线连接嵌入式智能控制器，嵌入式智能控制器的输出端通过485总线连接若干485设备，其特征在于：在嵌入式智能控制器内部对应每一个485设备设置一个镜像CPU，所述的镜像CPU设置两个串口，其中一个串口连接主线与485主机通讯，另一个串口连接485总线与现场对应的485设备通讯；485主机给每个镜像CPU分配唯一的一个地址，每个镜像CPU根据485设备的出厂地址和通讯规约通讯，且只与一台485设备通讯。

所述的485主机和485设备之间的通讯数据是经符合地址条件的镜像集线器转发；不符合地址条件的镜像集线器不转发数据。

所述的嵌入式智能控制器采用的CPU为STM32F429系列ARM单片机。但不限于该系列。

所述的嵌入式智能控制器的SIO1口-SIO5口分别通过光电隔离器连接智能变电站的485设备，SIO口连接485主机。

所述的嵌入式智能控制器的输入口设置拨码开关，拨码开关可以通过人工手动改变，其值被嵌入式智能控制器获得，并且调整设置镜像CPU的地址。

本发明的有益效果是：

同一台485设备，其出厂地址保持不变的前提下，当接至不同的485支线上时，其地址就被影射不同的值，解决了485设备在更换时需要修改地址的问题。同时无论485设备接至何处，它所测量的具体设备只与镜像CPU的地址相关联，不会造成后台档案管理混乱。也能很方便快捷地找到现场发生故障的485节点设备，非常有利于现场485设备的安装和调试。

附图说明

图1是RS485总线结构示意图；

图2是485设备出场编号示意图；

图3是485集线器原理方框图；

图4是本发明的原理方框图；

图5是本发明的流程框图；

图6是实施例2的电路原理图；

图7是RS485隔离模块的电路原理图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的实施例进行详细阐述：

实施例1：

485主机：指在RS-485总线网上可主动召唤数据，下发命令的设备，一般是指一特定的嵌入式设备。具有后台功能，工作在Windows或linex 等系统下，具有从RS485总线网上抄收数据的专用软件、可由用户进行档案编辑功能的软件，如excel软件等。其中抄收软件模块可以从档案文件中读写数据。下文中可称作主机，后台，上位机。

485设备：指在RS485总线网上不主动召唤数据和下发命令，而是根据主机的召唤而响应的从设备，也称从机，485节点，485设备节点。

被测设备：由485设备所检测的对象。

如图4所示，在镜像集线器内，为每一个485终端设备加一个镜像CPU，该CPU有两个串口，其中的一个串口在485主线上和485主机通讯；另一个串口与现场对应的485设备（485节点）通讯。对485主机来讲，每一个镜像CPU有唯一的一个地址。这个地址可以在镜像集线器内部通过软件或拨码开关等硬件进行设置，例如485设备1镜像CPU的地址为1，485设备2镜像CPU的地址为2……。485设备N镜像CPU的地址为N。

当485主机需要召唤485设备2的运行数据时，按照约定的规约发出召唤地址为2的485设备的数据召唤命令。该命令经485主线送到镜像集线器内部，485镜像设备2因地址吻合而响应，其余的485设备镜像CPU因地址不符而不响应。485镜像设备2将该命令中的地址信息换成485设备的出厂地址信息，并生成相应的校验码后经485总线2转发给485设备2，485设备2将485主机所要信息发给485设备2镜像CPU，由485设备2镜像CPU转发给485主机。

如图5所示为镜像CPU的工作软件流程。

开始以后，RS485镜像集线器判断是否接收到主总线数据帧。收到以后再判断与本CPU地址是否相符。如果相符，则将数据帧中的地址改为节点设备默认地址重新计算校验码，然后通过对应支线（即485总线1-n之一）将修改后的数据帧发出去。如此反复。

如果没有收到主总线数据帧，则判断是否接收到支总线（即485总线1-n之一）数据帧。如果没有收到，返回。如果收到，则判断与本CPU地址是否相符。相符则将数据帧中的地址改为本CPU地址重新计算校验码，然后通过主总线将修改后的数据帧发出去。如此反复。

由以上工作过程可以看出，同一台485设备，其出厂地址保持不变的前提下，当它接至485总线1上时，其地址就被影射为01；当它接至485总线2上时，其地址就被影射为02；……当它接至485总线n上时，其地址就被影射为n.这样就解决了485设备在更换时需要修改地址的问题。同时无论485设备接至何处，它所测量的具体设备只与镜像CPU的地址相关联，不会造成后台档案管理混乱。

在485总线1，485总线2以及485总线n的所有485支线上，每一条支线只能带一个485设备，485总线拓扑关系简单。这样，也就能很方便快捷的找到现场发生故障的485节点设备。

实施例2：

如图6所示，该实例采用的嵌入式智能控制器U1为STM32F429系列ARM单片机，该单片机的具有多个串行口，并且由其高速I/O口可以模拟另外的串行口。根据需要设置拨码开关S1对实施例1改进。

其工作过程为：

拨码开关S1可以通过人工手动改变，其值被CPU过其I/O口获得。例如当拨盘地址为00时，CPU默认SIO1，SIO2，SIO3，SIO4，SIO5的影射地址分别为01,02,03,04,05；当拨盘地址为01时，CPU默认SIO1，SIO2，SIO3，SIO4，SIO5的影射地址分别为06,07,08,09,10；依次类推……

当485主机需要召唤485设备2的运行数据时，按照约定的规约发出召唤地址为2的485设备的数据召唤命令。该命令经485主线(18,19脚)送到嵌入式智能控制器U1内部，嵌入式智能控制器U1根据拨码开关S1的值计算出485镜像设备2的地址。因地址吻合而响应，激活SIO2，其余的485设备因地址不符而不响应。485设备1，485设备,3，485设备4，485设备5的工作过程与485设备2相同（地址除外）。

如图7所示，所有RS485隔离模块的电路完全相同。电源VCC3V3和ISOVCC5V1是不共地的隔离电源。每个串行口的收（RXD1）发（TXD1）及使能信号（EN1）分别经U8，U10，U12光耦隔离，隔离后经RS485驱动芯片U9驱动，U9采用隔离电源供电，从而完成RS485的隔离。

Claims (5)

1.智能变电站RS485镜像集线器，包括485主机，485主机通过主线连接嵌入式智能控制器，嵌入式智能控制器的输出端通过485总线连接若干485设备，其特征在于：在嵌入式智能控制器内部对应每一个485设备设置一个镜像CPU，所述的镜像CPU设置两个串口，其中一个串口连接主线与485主机通讯，另一个串口连接485总线与现场对应的485设备通讯；485主机给每个镜像CPU分配唯一的一个地址，每个镜像CPU根据485设备的出厂地址和通讯规约通讯，且只与一台485设备通讯。

2.根据权利要求1所述的智能变电站RS485镜像集线器，其特征是，所述的485主机和485设备之间的通讯数据是经符合地址条件的镜像集线器转发；不符合地址条件的镜像集线器不转发数据。

3.根据权利要求1所述的智能变电站RS485镜像集线器，其特征是，所述的嵌入式智能控制器采用的CPU为STM32F429系列ARM单片机。

4.根据权利要求1或3所述的智能变电站RS485镜像集线器，其特征是，所述的嵌入式智能控制器的SIO1口-SIO5口分别通过光电隔离器连接智能变电站的485设备，SIO口连接485主机。

5.根据权利要求1或3所述的智能变电站RS485镜像集线器，其特征是，所述的嵌入式智能控制器的输入口设置拨码开关，拨码开关可以通过人工手动改变，其值被嵌入式智能控制器获得，并且调整设置镜像CPU的地址。