CN107979598A - 一种双以太网与双rs-422互转通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及嵌入式技术，具体涉及一种双以太网与双RS‑422互转通信系统及方法，该通信系统包括依次连接的第一用户接口单元、网口变压器单元、以太网控制器单元、主控制器单元、RS‑422隔离变换单元、网络数据传输线缆和第二用户接口单元。该通信系统参数设置灵活、方便，可以快速、平稳、无缝切换，既保证了通信系统的可靠性、快速性，还能适应电磁环境复杂、传输远距离较远、通信准确度高的工作场合。具有较高的抗干扰能力和可靠性，能够有效地检测和定位故障并及时地切换到备用网络，确保信息在现场传输的实时性。该通信系统在舰船综合电力能量管理系统、分布式变电站、电力电子变换装置和工业现场监控系统等对实时数据具有非常高的要求的场合中使用。

Description

一种双以太网与双RS-422互转通信系统及方法

技术领域

本发明属于嵌入式技术领域，尤其涉及一种双以太网与双RS-422互转通信系统及方法。

背景技术

经近百年特别是近几十年来的探索和实践，世界各国海军已经达成共识：未来舰船电力系统的一个重要发展方向是综合电力系统(Integrated Power System：IPS)。舰船综合电力系统以“模块化、集成化”的思想，简化了舰船动力系统的结构，为舰载高能武器提供了能量保障，大大提升了舰船的机动性、隐蔽性和生命力。

随着舰船电力系统的电气化水平的不断提高，舰船对供电质量、可靠性和生命力提出了更高的技术要求，迫切需要通过智能化手段实现系统的合理和优化运行，智能化是未来舰船综合电力系统的重要特征之一。实时通信技术是舰船获取设备信息实现智能化必不可少的技术手段。通过通信系统实时获取舰用设备各个健康状态和现场工况信息，是决策系统给出正确决策的先决条件，这势必成为实现舰船电力系统安全、合理、优化运行的技术基础。

研究与运行实践表明，常规的现场总线通信方式因其带宽窄、实时性差、可靠性不高，已经无法满足综合电力系统“井喷式”增长的信息交换的需求。其原因主要体现在以下几个方面：

1.船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和电力管理等诸多功能，因此，船舶综合全电力推进系统发电机不仅要向推进电动机供电，也需提供电能给船舶电网，满足船舶其它设备的用电和生活用电，而电力系统容量有限，船舶设备分布密集。这是由于这些多系统多功能的复杂性，势必也带来了严重的电磁兼容问题，这会对通信设备是否正常工作带来威胁；

2.电力推进舰船在航行过程中，受到风、浪及海流等多种随机不确定因素的干扰，进而带来船舶的输出功率与负载功率之间不平衡，甚至出现欠压、过压等恶劣情况，这会对通信设备造成严重损害；

3.舰船数据采集设备工作环境复杂多变，由于传输距离、现场状况等诸多因素的影响，可能导致传输通道中断，比如网络堵塞、网线断开、网络接口连接器松动、网络接口硬件电路故障等，造成网络实时性和可靠性降低，甚至网络不能正常工作。

针对上述这些情况，迫切需要将成熟的、可靠性高的、实时性强的以太网技术应用于船舶综合电力信息系统中。急需设计出适应于船舶内部环境的通信系统，以提高舰船内部信息交换的效率和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种将两路以太网连接于不同的IP地址，同时采集同一设备的数据，从而保证系统与外界设备通信时的数据传输可靠性的通信系统，适用于通信距离远、通信精度要求高、现场工作环境中电磁干扰强的场合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双以太网与双RS-422互转通信系统，包括依次连接的第一用户接口单元、网口变压器单元、以太网控制器单元、主控制器单元、RS-422隔离变换单元、网络数据传输线缆和第二用户接口单元。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信系统中，主控制器单元利用ARM、DSP、FPGA或单片机充当CPU，选择它的3个SPI中的任意2个SPI与以太网控制器单元进行交互信息。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信系统中，ARM选用STM32F417。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信系统中，以太网控制器单元包括第一以太网控制电路、第二以太网控制电路，均选用以太网控制芯片W5200；第一以太网控制电路、第二以太网控制电路分别与主控制器单元中第一个SPI和第二个SPI相连。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信系统中，网口变压器单元包括第一网口变压器电路、第二网口变压器电路，均选用芯片HR601680；第一网口变压器电路、第二网口变压器电路分别与第一用户接口单元相连；第一网口变压器电路与第一以太网控制电路相连，第二网口变压器电路与第二以太网控制电路相连。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信系统中，RS-422隔离变换单元包括第一RS-422隔离变换电路、第二RS-422隔离变换电路，均选用ADM2587EBRWZ；第一RS-422隔离变换电路、第二RS-422隔离变换电路分别与主控制器单元相连；第一RS-422隔离变换电路、第二RS-422隔离变换电路分别通过网络数据传输线缆与第二用户接口单元相连。

一种双以太网与双RS-422互转通信的方法，包括以下步骤：

步骤1、初始化硬件；步骤2、记录流程起始时刻；步骤3、读取当前时刻；步骤4、对比当前时刻与起始时刻时间差是否达到预置主循环周期；步骤5、如果未达到预置主循环周期，则返回步骤3；步骤6、如果达到预置主循环周期，则进入刷新主循环起始时刻；步骤7、以太网控制器W5200开始接收数据；步骤8、以太网控制器W5200完成数据接收后，串口开始接收数据；步骤9、串口数据接收完成后，以太网控制器W5200发送数据；步骤10、以太网控制器W5200数据发送完成后，串口开始发送数据；步骤11、完成步骤7至步骤10后，返回步骤3，开始循环。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信的方法中，步骤1所述初始化硬件的子步骤包括：

步骤1.1、首先进行以太网控制器W5200初始化；步骤1.2、以太网控制器W5200初始化完成后，进行ARM芯片上串口初始化；步骤1.3、完成ARM芯片上串口初始化后，开始初始化ARM芯片上的定时器作为公共时钟；步骤1.4、完成所述步骤1.1-步骤1.3的流程后返回。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信的方法中，步骤7所述以太网控制器W5200接收数据的流程包括：

步骤7.1、首先以太网控制器W5200进行数据接收；步骤7.2、然后判断是否为有效数据；步骤7.3、如果不是有效数据，则直接返回；步骤7.4、如果是有效数据，则以太网控制器W5200数据转为串口发送数据；步骤7.5、数据发送完成后，设置串口发送标志；步骤7.6、完成设置串口发送标志后返回。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信的方法中，步骤8所述串口接收数据的流程包括：

步骤8.1、首先串口进行数据接收，步骤8.2、然后判断是否为有效数据；步骤8.3、如果不是有效数据，则直接返回；步骤8.4、如果是有效数据，则串口数据转为以太网控制器W5200发送数据；步骤8.5、以太网控制器W5200数据发送完成后，设置以太网发送标志；步骤8.6、完成设置以太网发送标志后返回。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信的方法中，步骤9所述以太网控制器W5200发送数据流程包括：

步骤9.1、首先检查是否有以太网发送标志；步骤9.2、如果没有以太网发送标志，则直接返回；步骤9.3、如果有以太网发送标志，则启动以太网控制器W5200进行数据发送；步骤9.4、完成以太网控制器W5200数据发送后返回。

在上述的双以太网与双RS-422互转通信的方法中，步骤10所述串口发送数据流程包括：

步骤10.1、首先检查是否有串口发送标志；步骤10.2、如果没有串口发送标志，则直接返回；步骤10.3、如果有串口发送标志，则启动串口进行数据发送；步骤10.4、完成串口数据发送后返回。

本发明的有益效果：(1)采用双冗余方式，确保能够加强互转通信系统的可靠性，即使网络发生了故障，网络仍应能够继续提供为用户服务。

(2)采用高性能、低成本广泛应用于嵌入式系统中的ARM充当CPU，它具有3个SPI、并集成了单周期DSP指令和浮点单元FPU，既保证了控制算法的执行速度和代码效率，又具有通信冗余度，因此，工作性能稳定、可靠。

(3)采用全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器芯片W5200充当以太网控制器，由于它集成了TCP/IP协议栈，10M/100M以太网数据链路层及物理层，使用了新的高效SPI协议支持80MHz速率，内嵌32K字节片上缓存以供以太网包处理，使得ARM易于联网，编程简单，通信速度高。

(4)采用隔离式RS-485/RS-422收发器，可配置为半双工或全双工，只需要5V单电源供电。

总而言之，本发明参数设置灵活、方便，可以快速、平稳、无缝切换，既保证了通信系统的可靠性、快速性，还能适应电磁环境复杂、传输远距离较远、通信准确度高的工作场合。由于它采取了基于W5200的双通道以太网冗余通信系统，具有较高的抗干扰能力和可靠性，能够有效地检测和定位故障并及时地切换到备用网络，确保信息在现场传输的实时性。该通信系统在舰船综合电力能量管理系统、分布式变电站、电力电子变换装置和工业现场监控系统等对实时数据具有非常高的要求的场合中使用。

附图说明

图1为本发明一个实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的原理示意图；

图2为本发明一个实施例网口变压器单元的电路示意图；

图3为本发明一个实施例以太网控制器单元的电路示意图；

图4为本发明一个实施例主控制器单元的电路示意图；

图5为本发明一个实施例RS-422隔离变换单元的电路示意图；

图6为本发明一个实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的主流程图；

图7为本发明一个实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的硬件初始化流程图；

图8为本发明一个实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的以太网控制器W5200的数据接收流程图；

图9为本发明一个实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的串口数据接收流程图；

图10为本发明一个实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的以太网控制器W5200的数据发送流程图；

图11为本发明一个实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的串口数据发送流程图；

其中，1-第一用户接口单元、2-网口变压器单元、3-以太网控制器单元、4-主控制器单元、5-RS-422隔离变换单元、6-网络数据传输线缆、7-第二用户接口单元、2-1-第一网口变压器电路、2-2-第二网口变压器电路、3-1第一以太网控制电路、3-2-第二以太网控制电路、5-1-第一隔离变换电路、5-2-第二隔离变换电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

串行外设接口(Serial Peripheral Interface：SPI)作为以太网技术的典型代表技术，只需要一根同轴电缆线，连线简单，传输距离长，目前得到广泛应用。SPI是由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。

SPI接口一般由4根信号线组成：(1)NSS片选信号(有的单片机上也称为NSS)；(2)SCLK时钟信号线；(3)MOSI数据线(主机输出从机输入)；(4)MISO数据线(主机输入从机输出)。

借助W5200这款硬件TCP/IP协议的以太网控制器，ARM处理器可以通过SPI接口，非常简单地实现Internet网络连接。相比而言，在嵌入式领域，一般以太网设计实现方法相对复杂，其中物理层和数据链路层由芯片硬件实现，其它层由软件来实现，这对于CPU中RAM空间有限，移植相关协议栈有很大的限制。

但在运行实践中发现，如果不采取必要的措施，单单是基于以太网构建的通信系统，其可靠性和信息传输精度，将难以达到船舶综合电力系统对信息交换的技术要求。

本实施例构建了基于W5200以太网控制器的双以太网与双RS-422互转通信系统，将两路以太网连接于不同的IP地址，同时采集同一设备的数据。系统正常工作时，一路以太网与上位机实时连接并传送数据，另一路以太网连接但不通信且处于热备份状态。所谓热备份，是指两路以太网都处于正常连接状态，一路以太网作为工作通信，另一路以太网作为备用通信，只连接而不通信数据。当工作以太网通信出现故障后，备用的一路立即开放、执行数据通信。

为了提高其在复杂电磁环境通信的准确性、可靠性和安全性，借助如下特殊技术：

(1)利用ADI公司的芯片级变压器技术，对SCK、MOSI、MISO和NSS(有文献也写作SS或者CS)这四路SPI总线信号，进行数字隔离，它们具有低传播延迟特性、可支持最高17MHz的SPI时钟速率等特点；

(2)利用ADI公司的数字隔离技术，在单个封装内集成了三态差分线路驱动器(Y、Z)、差分输入接收器(A、B)和isoPower DC/DC转换器。该器件采用5V或3.3V单电源供电，从而实现了发送信息(Y、Z)、接收信息(A、B)的完全集成信号隔离和电源隔离，且该方案可配置为半双工或全双工，还带有一个高电平有效使能电路，并且还提供一个高电平接收机有效禁用电路，可使接收机输出进入高阻抗状态的用于RS-422的优秀解决方案。

本实施例采用高性能、低成本且广泛应用于嵌入式系统中的ARM充当CPU(如前所述，其它如DSP、FPGA以及其它单片机等，均可以充当此用途的CPU)。选择ARM中的3个SPI中的任何2个SPI与外围以太网控制器芯片W5200进行交互信息，构建以太网双冗余通信系统。将ARM和W5200控制器的优点集成一体，充分提高通信系统的便捷性和可靠性。

如图1所示，本实施例一种双以太网与双RS-422互转通信系统包括依次连接的第一用户接口单元1、网口变压器单元2、以太网控制器单元3、主控制器单元4、RS-422隔离变换单元5、网络数据传输线缆6和第二用户接口单元7。第一用户接口单元1接收来自外部的信息，经由网口变压器单元2中的两片单独的网口变压器电路隔离变换之后，再与以太网控制器单元3中的两片单独的以太网控制电路进行交互信息，传送到主控制器单元4上3个SPI中的第一和第二个SPI中的八根信号线中。主控制器单元4处理以太网控制单元传过来的信息后传递给RS-422隔离变换单元5，经由RS-422隔离变换单元5中的两个RS-422接口借助网络数据传输线缆6，传送到第二用户接口单元7。

各单元具体功能如下：①第一用户接口单元1，收发来自以太网的数据信息。②网口变压器单元2，在以太网设备中，在物理层PHY与用户接口之间起着隔离与耦合作用的是网口变压器。从理论上来说，是可以不需要网口变压器的，直接将物理层PHY接到用户接口上，也是能正常工作的。但是，存在以下明显不足：1)传输距离就会受限；2)当接到不同电平网口时，也会有较大影响；3)外部干扰对芯片的影响也很明显。研究与运行实践表明，一旦连接了网口变压器后，它不仅完成信号电平耦合，还具有以下优势：a、可以增强信号，使其传输距离更远；b、使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强；c、对芯片起到了很大的保护作用(如雷击)；d、当接到不同电平(如有的物理层PHY芯片是2.5V，有的物理层PHY芯片是3.3V)的网口时，不会对彼此设备造成影响。③以太网控制器单元3，以全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器作为核心，它集成了TCP/IP协议栈，10M/100M以太网数据链路层及物理层，使用了新的高效SPI协议支持80MHz速率，为主控制器单元提供了更加简易的互联网连接方案，从而能够更好地实现高速网络通讯。④主控制器单元4，是利用ARM(以STM32F417为例，当然也可以采取其它如DSP、FPGA以及其它单片机等)充当CPU，借助它的3个SPI中的任何2个SPI与外围以太网控制器芯片W5200交互信息。⑤RS-422隔离变换单元5，是隔离式RS-422收发器，可配置为半双工或全双工。它采用ADI公司的iCoupler技术，仅使用5V单电源供电，在单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器(Y、Z)、一个差分输入接收器(A、B)和一个isoPower DC/DC转换器(输出3.3V电源)。从而实现了完全集成的信号和电源隔离RS-422解决方案。该隔离式RS-422收发器带有一个高电平有效使能电路，并且还提供一个高电平接收机有效禁用电路，可使接收机输出进入高阻抗状态。该器件具备限流和热关断特性，能够防止输出短路，并防止出现由于总线争用而引起功耗过大的情况。它采用20引脚宽体SOIC封装，其额定工作温度范围为工业温度范围。⑥网络传输线缆6，是将转换后的RS-422串行接口与用户的RS-422串行接口，经由专用网络传输线缆(简称网线)连接起来，将信息由RS-422隔离变换单元传送到第二用户接口单元。⑦第二用户接口单元7，收发来自RS-422隔离变换单元的数据信息。

如图2所示，网口变压器单元2包括第一网口变压器电路2-1和第二网口变压器电路2-2。网口变压器单元2中的芯片A₁，是网口变压器芯片，它主要用于信号电平耦合。本实施例选择HR601680，有三个优点，其一，可以增强信号，使其传输距离更远；其二，使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用(如雷击)；其三，当接到不同电平(如有的PHY芯片是2.5V，有的PHY芯片是3.3V)的网口时，不会对彼此设备造成影响。

如图3所示，以太网控制器单元3包括第一以太网控制电路3-1和第二以太网控制电路3-2。以太网控制器单元3中的芯片A₂，本实施例选择以太网控制器芯片W5200，它作为一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，片内集成了TCP/IP协议栈，10M/100M以太网数据链路层(MAC)及物理层(PHY)，内嵌32K字节片上缓存以供以太网包处理，ARM处理器可以通过SPI接口，非常简单地实现Internet网络连接。

如图1和图4所示的主控制器单元4中的芯片A3，选择STM32F417系列的ARM芯片，是ST(意法半导体)推出的以基于Cortex^TM-M4为内核的其采用了90纳米的NVM工艺和ART(自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time Memory Accelerator^TM)的高性能微控制器，可达到168MHz。由于它集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得数字信号控制器应用，快速的产品开发达到了新的水平，且能提升控制算法的执行速度和代码效率。芯片A₃采用了STM32F417系列的ARM芯片，它集成了多达7重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器，支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快。本实施例利用它的3个SPI中的第一和第二个SPI与外围两片单独的以太网控制器芯片W5200进行信息交互。

如图5所示，RS-422隔离变换单元5包括第一隔离变换电路5-1和第二隔离变换电路5-2。RS-422隔离变换单元5中的芯片A₄，是隔离式RS-422收发器，可配置为半双工或全双工。本实施例选择ADM2587EBRWZ，它采用ADI公司的iCoupler技术，在单个封装内集成了一个三通道隔离器、一个三态差分线路驱动器、一个差分输入接收器和一个isoPoW5200erDC/DC转换器。该器件采用5V单电源供电，从而实现了完全集成的信号和电源隔离RS-422解决方案。ADM2587EBRWZ带有一个高电平有效使能电路，并且还提供一个高电平接收机有效禁用电路，可使接收机输出进入高阻抗状态。该器件具备限流和热关断特性，能够防止输出短路，并防止出现由于总线争用而引起功耗过大的情况。它采用20引脚宽体SOIC封装，其额定工作温度范围为工业温度范围。

如图1～5所示的网络数据传输线缆6，用于连接RS-422接口与用户的网卡接口，可以采用专用网络传输线缆(简称网线)，市面上有售。

如图1所示，对于主控制器单元4而言，利用芯片A₃(STM32F417)充当CPU，将其片上3个SPI中的第一和第二个SPI与两片单独的以太网控制器芯片W5200进行交互信息，即第一个SPI的四根信号线分别为：SPI_SCK1、SPI_MOSI1、SPI_MISO1、SPI_NSS1；第二个SPI的四根信号线分别为：SPI_SCK2、SPI_MOSI2、SPI_MISO2、SPI_NSS2。上述SPI的八根信号线所对应的STM32F417的管脚分别为：第41脚(SPI_SCK1)、第43脚(SPI_MOSI1)、第42脚(SPI_MISO1)、第40脚(SPI_NSS1)、第74脚(SPI_SCK2)、第76脚(SPI_MOSI2)、第75脚(SPI_MISO2)、第73脚(SPI_NSS2)。利用芯片A₁的第44脚(即GPIO管脚)充当RET1，对以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1进行复位操作，芯片A₃的第44脚经由接线端子T₂₁，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1的第46脚相连。利用芯片A₃的第77脚(即GPIO管脚)充当RET2，对以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2进行复位操作。芯片A₃的第77脚经由接线端子T₂₇，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2的第46脚相连。将以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1中的INT1(中断信号)回传给芯片A₃的第45脚(即GPIO管脚)。芯片A₃的第45脚经由接线端子T₂₂，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1的第40脚相连。将以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2中的INT2(中断信号)回传给芯片A₃的第78脚(即GPIO管脚)。芯片A₃的第78脚经由接线端子T₂₈，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2的第40脚相连。将八根信号线的数据处理后，芯片A₃的第112脚经由接线端子T₂₉，与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第4脚相连。芯片A₃的第111脚经由接线端子T₃₂，与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第7脚相连。利用芯片A₃的第114脚(即GPIO管脚)充当经由接线端子T₃₀与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第5脚相连。利用芯片A₃的第115脚(即GPIO管脚)充当DE1，经由接线端子T₃₁与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第6脚相连。芯片A₃的第124脚经由接线端子T₃₃，与RS-422隔离变换单元5中的第二隔离变换电路5-2的第4脚相连。芯片A₃的第129脚经由接线端子T₃₆，与RS-422隔离变换单元5中的第二隔离变换电路5-2的第7脚相连。利用芯片A₃的第125脚(即GPIO管脚)充当经由接线端子T₃₄与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-2的第5脚相连。利用芯片A₃的第126脚(即GPIO管脚)充当DE2，经由接线端子T₃₅与RS-422隔离变换单元5中的第二隔离变换电路5-2的第6脚相连。

如图1所示，第一用户接口单元1经由接线端子T₁～T₄与网口变压器单元2中的第一网口变压器电路2-1相连，第一用户接口单元1经由接线端子T₅～T₈与网口变压器单元2中的第二网口变压器电路2-2相连。

如图2所示，第二网口变压器电路2-1经由接线端子T₁～T₄与第一用户接口单元1相连。芯片A₁的第9脚与第一用户接口单元1的接线端子T₁相连。芯片A₁的第11脚与第一用户接口单元1的接线端子T₂相连。芯片A₁的第14脚与第一用户接口单元1的接线端子T₃相连。芯片A₁的第16脚与第一用户接口单元1的接线端子T₄相连。芯片A₁的第10脚与电阻R₂的一端相连，电阻R₂的另一端与电容C₁的一端相连。芯片A₁的第15脚与电阻R₁的一端相连，电阻R₁的另一端与电容C₁的一端相连。电容C₁的另一端与GND1相连。芯片A₁的第2脚与电源U_S1+相连。芯片A₁的第7脚与电源U_S1+相连。芯片A₁的第2脚与电容C₂的一端相连，电容C₂的另一端与地线GND2相连。芯片A₁的第1脚与电阻R₆的一端相连，电阻R₆的另一端与电容C₄的一端相连。芯片A₁的第3脚与电阻R₅的一端相连，电阻R₅的另一端与电容C₄的一端相连。电容C₄的另一端与地线GND2相连。芯片A₁的第6脚与电阻R₄的一端相连，电阻R₄的另一端与电容C₃的一端相连。芯片A₁的第8脚与电阻R₃的一端相连，电阻R₃的另一端与电容C₃的一端相连。电容C₃的另一端与地线GND2相连，芯片A₁的第1脚经由接线端子T₉与以太网控制器单元(3)相连。芯片A₁的第3脚经由接线端子T₁₀与以太网控制器单元3相连。芯片A₁的第6脚经由接线端子T₁₁与以太网控制器单元3相连。芯片A₁的第8脚经由接线端子T₁₂与以太网控制器单元3相连。第一网口变压器电路2-1经由接线端子T₉～T₁₂与以太网控制器单元3相连。

如图2所示，第二网口变压器电路2-2经由接线端子T₅～T₈与第一用户接口单元1相连。第二网口变压器电路2-2经由接线端子T₁₃～T₁₆与以太网控制器单元3相连。

如图3所示，第一以太网控制电路3-1，经由接线端子T₉～T₁₂与第一网口变压器电路2-1相连。芯片A₂的第17脚经由接线端子T₉与网口变压器单元2相连，芯片A₂的第18脚经由接线端子T₁₀与网口变压器单元2相连，芯片A₂的第20脚经由接线端子T₁₁与网口变压器单元2相连，芯片A₂的芯片第21脚经由接线端子T₁₂与网口变压器单元2相连。芯片A₂的第27脚与电源U_S2+相连，芯片A₂的第47脚与电源U_S2+相连。芯片A₂的第14脚与电源U_S3+。芯片A₂的第7脚与电阻R₇的一端相连，电阻R₇的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第29脚与电阻R₈的一端相连，电阻R₈的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第30脚与电阻R₉的一端相连，电阻R₉的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第31脚与电阻R₁₀的一端相连，电阻R₁₀的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第13脚与电阻R₁₁的一端相连，电阻R₁₁的另一端与芯片A₂的第31脚相连。芯片A₂的第19脚、第22脚和第24脚同时与地线GND2连接。芯片A₂的第45脚与电阻R₁₂的一端相连，电阻R₁₂的另一端与地线GND2相连。芯片A₂的第9脚、第10脚、第26脚、第28脚、第48脚和第49脚同时与地线GND2相连。芯片A₂的第12脚与电阻R₁₃的一端相连，电阻R₁₃的另一端与地线GND2相连。芯片A₂的第16脚与电容C₅的正极相连，电容C₆的一端与C₅的正极相连，电容C₆的另一端与电容C₅的负极相连，电容C₅的负极与地线GND2相连。芯片A₂的第11脚、第15脚和第23脚同时与电源U_S2+相连。芯片A₂的第8脚和第25脚同时与电源U_S3+相连。芯片A₂的第1脚与电容C₇的一端相连，电容C₇的另一端与地线GND2相连。A₂的第2脚与电阻R₁₈的一端相连，电阻R₁₈的另一端与电容C₈的一端相连，电容C₈的另一端接地线GND2。晶振Y₁的外壳与地线GND2相连。晶振Y₁的一端与芯片A₂的第1脚相连，晶振Y₁的另一端与电容C₈的一端相连，电容C₈的另一端与地线GND2相连。电阻R₁₇并联在晶振Y₁的两端。芯片A₂的第32脚、第33脚、第34脚、第35脚、第36脚、第37脚、第38脚和第39脚同时与地线GND2相连。芯片A₂的第3脚与电阻R₁₉的一端相连，电阻R₁₉的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第4脚与电阻R₂₀的一端相连，电阻R₂₀的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第5脚与电阻R₂₁的一端相连，电阻R₂₁的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第6脚与电阻R₂₂的一端相连，电阻R₂₂的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第40脚与电阻R₁₄的一端相连，电阻R₁₄的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第46脚与电阻R₁₅的一端相连，电阻R₁₅的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第41脚与电阻R₁₆的一端相连，电阻R₁₆的另一端与电源U_S2+相连。芯片A₂的第42脚经由接线端子T₁₇与主控制器单元(4)相连。芯片A₂的第43脚经由接线端子T₁₈与主控制器单元(4)相连。芯片A₂的第44脚经由接线端子T₁₉与主控制器单元(4)相连。芯片A₂的第41脚经由接线端子T₂₀与主控制器单元4相连。芯片A₂的第46脚经由接线端子T₂₁与主控制器单元4相连。芯片A₂的第40脚经由接线端子T₂₂与主控制器单元4相连。第一以太网控制电路3-1经由接线端子T₁₇～T₂₂与主控制器单元4相连。

如图3所示，第二以太网控制电路3-2，经由接线端子T₁₃～T₁₆与第二网口变压器电路2-2相连。第二以太网控制电路3-2经由接线端子T₂₃～T₂₈与主控制器单元4相连。

如图4所示，主控制器单元4中的芯片A₃的第41脚经由接线端子T₁₇，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1相连。芯片A₃的第43脚经由接线端子T₁₈，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1相连。芯片A₃的第42脚经由接线端子T₁₉，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1相连。芯片A₃的第40脚经由接线端子T₂₀，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1相连。芯片A₃的第44脚经由接线端子T₂₁，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1相连。芯片A₃的第45脚经由接线端子T₂₂，与以太网控制器单元3中的第一以太网控制电路3-1相连。芯片A₃的第74脚经由接线端子T₂₃，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2相连。芯片A₃的第76脚经由接线端子T₂₄，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2相连。芯片A₃的第75脚经由接线端子T₂₅，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2相连。芯片A₃的第73脚经由接线端子T₂₆，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2相连。芯片A₃的第77脚经由接线端子T₂₇，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2相连。芯片A₃的第78脚经由接线端子T₂₈，与以太网控制器单元3中的第二以太网控制电路3-2相连。

如图4所示，主控制器单元4中的芯片A₃的第105脚、第109脚、第110脚、第133脚和第25脚接编程接口J₁。芯片A₃的第138脚接电阻R₂₃的一端，电阻R₂₃的另一端接地线GND2。芯片A₃的第6脚接电源U_S2+，芯片A₃的第6脚接电容C₁₂的一端，电容C₁₂的另一端接地线GND2。芯片A₃的第33脚接电感L₁的一端，电感L₁的另一端接电源U_S2+。芯片A₃的第33脚同时接电容C₁₁的正极，电容C₁₁的负极接地线GND2。电容C₁₀的一端与芯片A₃的第33脚相连，电容C₁₀的另一端接地线GND2。芯片A₃的第31脚接地线GND2。芯片A₃的第121脚接电源U_S2+，电容C₉的一端与芯片A₃的第121脚相连，电容C₉的另一端接地线GND2。芯片A₃的第23脚接电容C₂₀的一端，电容C₂₀的另一端接地线GND2。芯片A₃的第24脚接电阻R₂₄的一端，电阻R₂₄的另一端接电容C₁₉的一端，电容C₁₉的另一端接地线GND2。晶振Y₃的外壳接地线GND2，晶振Y₃的一端接芯片A₃的第23脚，晶振Y₃的另一端接电容C₁₉的一端，电容C₁₉的另一端接地线GND2。芯片A₃的第106脚接电容C₁₇的一端，电容C₁₇的另一端接地线GND2。芯片A₃的第71脚接电容C₁₈的一端，电容C₁₈的另一端接地线GND2。芯片A₃的第143脚接电容C₁₅的一端，电容C₁₅的另一端接地线GND2。芯片A₃的第143脚接电感L₂的一端，电感L₂的另一端接电源U_S2+。电容C₁₆的一端接电源U_S2+，电容C₁₆的另一端接地线GND2。芯片A₃的第8脚接电容C₁₄的一端，电容C₁₄的另一端接地线GND2。芯片A₃的第9脚接电容C₁₃的一端，电容C₁₃的另一端接地线GND2。晶振Y₂的一端接芯片A₃的第8脚，晶振Y₂的另一端接芯片A₃的第9脚。芯片A₃的第120脚接地线GND2。

如图4所示，主控制器单元4的芯片A₃的第112脚经由接线端子T₂₉，与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第4脚相连。芯片A₃的第111脚经由接线端子T₃₂，与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第7脚相连。利用芯片A₃的第114脚(即GPIO管脚)充当经由接线端子T₃₀与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第5脚相连。利用芯片A₃的第115脚(即GPIO管脚)充当DE1，经由接线端子T₃₁与RS-422隔离变换单元5中的第一隔离变换电路5-1的第6脚相连。芯片A₃的第124脚经由接线端子T₃₃，与RS-422隔离变换单元5中的第二隔离变换电路5-2的第4脚相连。芯片A₃的第129脚经由接线端子T₃₆，与RS-422隔离变换单元5中的第二隔离变换电路5-2的第7脚相连。利用芯片A₃的第125脚(即GPIO管脚)充当经由接线端子T₃₄与RS-422隔离变换单元5中的第二隔离变换电路5-2的第5脚相连。利用芯片A₃的第126脚(即GPIO管脚)充当DE2，经由接线端子T₃₅与RS-422隔离变换单元5中的第二隔离变换电路5-2的第6脚相连。

如图5所示，第一隔离变换电路5-1经由接线端子T₂₉～T₃₂与主控制器单元4相连。芯片A₄的第4脚经由接线端子T₂₉与主控制器单元4相连。芯片A₄的第5脚经由接线端子T₃₀与主控制器单元4相连。芯片A₄的第6脚经由接线端子T₃₁与主控制器单元4相连。芯片A₄的第7脚经由接线端子T₃₂与主控制器单元4相连。芯片A₄的第1脚、第3脚、第9脚和第10脚同时与地线GND2相连。芯片A₄的第2脚和第8脚同时与电源U_S4+相连。芯片A₄的第3脚与C₂₃的一端相连，电容C₂₃的另一端与电源U_S4+相连。芯片A₄的第3脚与C₂₂的一端相连，电容C₂₂的另一端与电源U_S4+相连。芯片A₄的第3脚与C₂₁的负极相连，电容C₂₁的正极与电源U_S4+相连。芯片A₄的第8脚与C₂₅的一端相连，C₂₅的另一端与地线GND2相连。芯片A₄的第8脚与C₂₄的正极相连，C₂₄的负极与地线GND2相连。芯片A₄的第20脚与第16脚同时与地线GND3相连。芯片A₄的第19脚与电容C₂₆的一端，电容C₂₆的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第19脚与电容C₂₇的一端，电容C₂₇的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第19脚与电源U_S5+相连。芯片A₄的第14脚和第11脚与电感L₄的一端相连，电感L₄的另一端接地线GND3。芯片A₄的第12脚与电感L₃的一端相连，电感L₃的另一端与电源U_S5+相连。芯片A₄的第12脚与电容C₂₈的一端相连，电容C₂₈的另一端与电感L₄的一端相连，电感L₄的另一端接地线GND3。电容C₂₉的正极与电源U_S5+相连，电容C₂₉的负极与地线GND3相连。芯片A₄的第17脚与电阻R₂₅的一端相连，电阻R₂₅的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第15脚与电阻R₂₆的一端相连，电阻R₂₆的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第18脚与二极管D₃的一端相连，二极管D₃的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第18脚与二极管D₁的一端相连，二极管D₁的另一端与芯片A₄的第17脚相连。芯片A₄的第17脚与二极管D₄的一端相连，D₄的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第18脚与共模电感T₁同名端的一端相连，芯片A₄的第17脚与共模电感T₁同名端的另一端相连。共模电感T₁非同名端的一端与气体放电管G₁的一端相连，共模电感T₁非同名端的另一端与气体放电管G₁的另一端相连，气体放电管G₁的机壳与地线GND1相连。气体放电管G₁的一端与电阻R₂₈的一端相连，气体放电管G₁的另一端与电阻R₂₈的另一端相连。芯片A₄的第15脚与二极管D₅的一端相连，二极管D₅的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第15脚与二极管D₂的一端相连，二极管D₂的另一端与芯片A₄的第13脚相连。芯片A₄的第13脚与二极管D₆的一端相连，二极管D₆的另一端与地线GND3相连。芯片A₄的第15脚与共模电感T₂同名端的一端相连，芯片A₄的第13脚与共模电感T₂同名端的另一端相连。共模电感T₂非同名端的一端与气体放电管G₂的一端相连，共模电感T₂非同名端的另一端与气体放电管G₂的另一端相连，气体放电管G₂的机壳与地线GND1相连。气体放电管G₂的一端与电阻R₂₉的一端相连，气体放电管G₂的另一端与电阻R₂₉的另一端相连。电容C₃₀的一端与地线GND3相连，电容C₃₀的另一端与地线GND1相连。电阻R₂₇的两端并联在电容C₃₀的两端。电阻R₂₈的一端经由接线端子T₃₇与网络数据传输线缆6相连，电阻R₂₈的另一端经由接线端子T₃₈与网络数据传输线缆6相连。电阻R₂₉的一端经由接线端子T₃₉与网络数据传输线缆6相连，电阻R₂₉的另一端经由接线端子T₄₀与网络数据传输线缆6相连。

如图5所示，第二隔离变换电路5-2经由接线端子T₃₃～T₃₆与主控制器单元4相连。第二隔离变换电路5-2经由接线端子T₄₁～T₄₄与网络数据传输线缆6相连。

如图5所示，网络数据传输线缆6经由接线端子T₃₇～T₄₀与第一隔离变换电路5-1相连。网络数据传输线缆6经由接线端子T₄₁～T₄₄与第二隔离变换电路5-2相连。网络数据传输线缆6经由接线端子T45～T52与第二用户接口单元7相连。

如图6所示，为本实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的主流程图。双以太网与双RS-422互转通信系统，需要高频巡检串口RS-422和以太网是否接收到数据，为了保证主循环周期基本保持恒定，必须使用ARM片上定时器作为公共时钟。所以硬件初始化包括串口初始化、以太网控制器W5200的初始化和定时器初始化。串口初始化包括波特率设置、数据格式设置、DMA设置、中断设置。在快速通信应用中使用中断可以保证数据不会丢失，一般的慢速通信应用定时巡检即可。

以太网控制器W5200设置包括IP及端口配置、UDP方式配置、MAC地址配置、目标IP及端口配置以及W5200内部其他寄存器配置。

无论是以太网控制器W5200还是串口，接收到有效数据后才能设置另一通信端口的发送标志，并将接收到的数据转换为另一通信端口的发送数据。只有接收到有效数据后才能启动另一通信端口的数据发送。

如图6所示，双以太网与双RS-422互转通信系统的主流程如下：首先初始化硬件，硬件初始化完成后开始记录流程起始时刻，然后读取当前时刻。对比当前时刻与起始时刻时间差是否达到预设主循环周期，如果未达到预设主循环周期，则返回读取当前时刻步骤；如果达到预设主循环周期，则进入刷新主循环起始时刻。完成刷新主循环起始时刻后，以太网控制器W5200开始接收数据。完成以太网控制器W5200数据接收后，开始串口数据接收。串口数据接收完成后，以太网控制器W5200进行数据发送。以太网控制器W5200数据发送完成后，串口开始发送数据。完成以上步骤后，返回读取当前时刻，开始循环。

如图7所示，为本实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的硬件初始化流程图，具体如下：首先进行以太网控制器W5200初始化，以太网控制器W5200初始化完成后进行ARM芯片上串口初始化。完成ARM芯片上串口初始化之后，开始初始化ARM上的定时器作为公共时钟。完成以上流程后返回。

如图8所示，为本实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的以太网控制器W5200的接收流程图，具体流程如下：首先W5200进行数据接收，然后判断是否为有效数据。如果不是有效数据，则直接返回；如果是有效数据，则以太网控制器W5200数据转为串口发送数据。数据发送完成后，设置串口发送标志。完成设置串口发送标志后返回。

如图9所示，为本实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的串口数据接收流程图，具体步骤如下：首先串口进行数据接收，然后判断是否为有效数据。如果不是有效数据，则直接返回；如果是有效数据，则串口数据转为以太网发送数据。数据发送完成后，设置以太网发送标志。完成设置以太网发送标志后返回。

如图10所示，为本实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的网口数据发送流程图，具体如下：首先检查是否有以太网发送标志，如果没有以太网发送标志，则直接返回；如果有以太网发送标志，则启动以太网进行数据发送。完成数据发送后返回。

如图11所示，为本实施例双以太网与双RS-422互转通信系统的串口数据发送流程图，具体流程如下：首先检查是否有串口发送标志，如果没有串口发送标志，则直接返回；如果有串口发送标志，则启动串口进行数据发送。完成数据发送后返回。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (12)

1.一种双以太网与双RS-422互转通信系统，其特征是，包括依次连接的第一用户接口单元、网口变压器单元、以太网控制器单元、主控制器单元、RS-422隔离变换单元、网络数据传输线缆和第二用户接口单元。

2.如权利要求1所述的双以太网与双RS-422互转通信系统，其特征是，主控制器单元利用ARM、DSP、FPGA或单片机充当CPU，选择它的3个SPI中的任意2个SPI与以太网控制器单元进行交互信息。

3.如权利要求2所述的双以太网与双RS-422互转通信系统，其特征是，ARM选用STM32F417。

4.如权利要求2所述的双以太网与双RS-422互转通信系统，其特征是，以太网控制器单元包括第一以太网控制电路、第二以太网控制电路，均选用以太网控制芯片W5200；第一以太网控制电路、第二以太网控制电路分别与主控制器单元中第一个SPI和第二个SPI相连。

5.如权利要求4所述的双以太网与双RS-422互转通信系统，其特征是，网口变压器单元包括第一网口变压器电路、第二网口变压器电路，均选用芯片HR601680；第一网口变压器电路、第二网口变压器电路分别与第一用户接口单元相连；第一网口变压器电路与第一以太网控制电路相连，第二网口变压器电路与第二以太网控制电路相连。

6.如权利要求1所述的双以太网与双RS-422互转通信系统，其特征是，RS-422隔离变换单元包括第一RS-422隔离变换电路、第二RS-422隔离变换电路，均选用ADM2587EBRWZ；第一RS-422隔离变换电路、第二RS-422隔离变换电路分别与主控制器单元相连；第一RS-422隔离变换电路、第二RS-422隔离变换电路分别通过网络数据传输线缆与第二用户接口单元相连。

7.一种双以太网与双RS-422互转通信的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、初始化硬件；

步骤2、记录流程起始时刻；

步骤3、读取当前时刻；

步骤4、对比当前时刻与起始时刻时间差是否达到预置主循环周期；

步骤5、如果未达到预置主循环周期，则返回步骤3；

步骤6、如果达到预置主循环周期，则进入刷新主循环起始时刻；

步骤7、以太网控制器W5200开始接收数据；

步骤8、以太网控制器W5200完成数据接收后，串口开始接收数据；

步骤9、串口数据接收完成后，以太网控制器W5200发送数据；

步骤10、以太网控制器W5200数据发送完成后，串口开始发送数据；

步骤11、完成步骤7至步骤10后，返回步骤3，开始循环。

8.如权利要求7所述的双以太网与双RS-422互转通信的方法，其特征是，步骤1所述初始化硬件的子步骤包括：

步骤1.1、首先进行以太网控制器W5200初始化；

步骤1.2、以太网控制器W5200初始化完成后，进行ARM芯片上串口初始化；

步骤1.3、完成ARM芯片上串口初始化后，开始初始化ARM芯片上的定时器作为公共时钟；

步骤1.4、完成所述步骤1.1-步骤1.3的流程后返回。

9.如权利要求7所述的双以太网与双RS-422互转通信的方法，其特征是，步骤7所述以太网控制器W5200接收数据的流程包括：

步骤7.1、首先以太网控制器W5200进行数据接收；

步骤7.2、然后判断是否为有效数据；

步骤7.3、如果不是有效数据，则直接返回；

步骤7.4、如果是有效数据，则以太网控制器W5200数据转为串口发送数据；

步骤7.5、数据发送完成后，设置串口发送标志；

步骤7.6、完成设置串口发送标志后返回。

10.如权利要求7所述的双以太网与双RS-422互转通信的方法，其特征是，步骤8所述串口接收数据的流程包括：

步骤8.1、首先串口进行数据接收，

步骤8.2、然后判断是否为有效数据；

步骤8.3、如果不是有效数据，则直接返回；

步骤8.4、如果是有效数据，则串口数据转为以太网控制器W5200发送数据；

步骤8.5、以太网控制器W5200数据发送完成后，设置以太网发送标志；

步骤8.6、完成设置以太网发送标志后返回。

11.如权利要求7所述的双以太网与双RS-422互转通信的方法，其特征是，步骤9所述以太网控制器W5200发送数据流程包括：

步骤9.1、首先检查是否有以太网发送标志；

步骤9.2、如果没有以太网发送标志，则直接返回；

步骤9.3、如果有以太网发送标志，则启动以太网控制器W5200进行数据发送；

步骤9.4、完成以太网控制器W5200数据发送后返回。

12.如权利要求7所述的双以太网与双RS-422互转通信的方法，其特征是，步骤10所述串口发送数据流程包括：

步骤10.1、首先检查是否有串口发送标志；

步骤10.2、如果没有串口发送标志，则直接返回；

步骤10.3、如果有串口发送标志，则启动串口进行数据发送；

步骤10.4、完成串口数据发送后返回。