CN110895874A - 一种rs485接口传感器的采集模块及其采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种RS485接口传感器的采集模块及其采集方法，属于工业通信工程领域，应用于结构安全健康监测行业。它包括通信模块、多串口微控制器模块、隔离型RS485驱动器模块、接口防护模块、电源管理模块、隔离电源模块、电流采样监控模块、数据存储模块、电源分路模块和RS485总线驱动器；本发明专利解决了目前行业内RS485网络设备无法远程监控运行状态、无法在线升级、无法自诊断等问题，实现了RS485网络设备的智能化，提高了工作RS485现场系统集成的可靠性和便利性，以及低维护成本、快速定位故障的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种RS485接口传感器的采集模块及其采集方法，属于工业通信工程领域，应用于结构安全健康监测行业。
背景技术
现有技术：目前RS485型传感器数据采集器作为工业总线网络设备正在大规模的应用在各个工业领域。RS485型传感器数据采集器主要是优化RS485总线的网络结构，提高接口隔离型，从而提高整个网络的可靠性。RS485型传感器数据采集器的可靠性对于整个系统的稳定性可靠性起着至关重要的作用。如果网络中的某个RS485型传感器数据采集器出现故障，将会导致其挂载的传感器数据无法读取，造成较为严重的后果。目前RS485型传感器数据采集器多为单机系统，即作为一个独立功能存在的模块，如只负责通信接口的逻辑控制，收发控制，通道扩展等，无法对模块的运行状态和故障进行实时监控，当模块发生异常时，无法远程重启或复位，也无法远程升级系统运行固件，不利于模块功能扩展和集成。所以作为工业领域关键的网络通信模块，除了硬件的可靠性还远远不能保证整个系统的运行可靠、维护可靠。目前的RS485型传感器数据采集器的故障运行状态只能在现场通过模块上配置的状态运行指示灯来观察模块的运行状态，需要人员达到现场进行故障排查，也间接增加了人力成本和故障的解决时间。
发明内容
本发明针对上述的问题，目的为了解决目前RS485型传感器数据采集器无法远程监控和控制模块，在发生故障时，无法实施得到故障发生的地点和时间，需要人员到达现场排查才能定位的问题。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种RS485接口传感器的采集模块，它包括通信模块、多串口微控制器模块、隔离型RS485驱动器模块、接口防护模块、电源管理模块、隔离电源模块、电流采样监控模块、数据存储模块、电源分路模块和RS485总线驱动器；
所述多串口微控制器模块分别与通信模块、电流采样监控模块、隔离型RS485驱动器模块、数据存储模块和RS485总线驱动器连接；
所述通信模块连接电源管理模块，电源管理模块分别与电流采样监控模块和隔离电源模块连接；
隔离电源模块与电源分路模块连接，电源分路模块与隔离型RS485驱动器模块连接，隔离型RS485驱动器模块与接口防护模块连接。
进一步的，RS485网络主机通过RS485云智能采集模块与RS485型传感器连接；
云监控平台通过通信模块对RS485云智能采集模块进行通信。
进一步的，云监控平台通过通讯基站与RS485云智能采集模块连接。
进一步的，多串口微控制器含有5个串口，使用其中1个串口作为与RS485总线测通信的主串口即连接RS485总线驱动器，其他4个串口作为扩展通信接口与外部隔离型RS485驱动模块连接。
一种RS485接口传感器的采集模块的采集方法：
通信模块通过CMOS电平串口与多串口微控制器进行通信，将数据RS485云智能采集模块的工作状态发送给监控平台，同时通过监控平台主动发送控制命令、诊断信息查询命令、系统升级命令对RS485云智能采集模块进行远程监控和控制；
多串口微控制器模块具有多个串口的微控制器，同时采用多串口微控制器的好处是可以灵活进行系统升级和配置，而且针对RS485云智能采集模块挂载的不同协议类型的RS485接口传感器，进行协议转换，统一通信规约，减少协议冲突，间接提高网络的可靠性；
隔离型RS485驱动器模块采用集成型隔离模块；
接口防护模块是RS485接口和对外供电接口的抗浪涌保护，其中RS485信号为差分信号，采用差分型抗浪涌保护，对外电源采用单端的抗浪涌保护，两个接口抗浪涌保护都采用二级防护电路，第一级采用GDT经过退耦器件后第二级采用TVS管；
电源管理模块负责给通信模块、多串口MCU、隔离电源和模拟电路提供能量，将外部提供的一次电源变换成系统所需要的二次电源；
隔离电源模块对外提供给RS485型传感器的电源；
电流采样监控模块对外部RS485型传感器负载的电流消耗情况进行实时监控，当发生异常时，RS485云智能采集模块能通过电流采样监控模块内部的模数转换器进行数据转换，并通过微控制器进行识别并转换成故障诊断消息发送给通信模块；
数据存储模块是将RS485型传感器测量到的数据除了往RS485总线上发送外，同时RS485云智能采集模块也做一个同步备份，以避免在极端情况下， RS485云智能采集模块也可根据系统配置的容错机制自动定时采集，临时替代RS485网络主机的作用，待RS485总线恢复正常后，再将数据存储模块内的数据逐条发送给RS485总线上的主机，同时RS485云智能采集模块也将RS485总线异常故障上报给云监控平台；
电源分路模块用于将隔离电源模块提供的电源分成多路提供给外部RS485型传感器，每一路采用单独的自恢复保险丝和取样电阻，这样当外部线路发生故障时，故障线路不会影响其他线路的供电，同时该方法也能减少电源模块，减小成本和体积；
RS485总线驱动器负责RS485总线侧RS485信号驱动，主要是接收来自于RS485网络主机的命令和负责返回被采集RS485型传感器的数据包；
RS485网络主机主要负责发送数据采集命令帧和接收来自于传感器返回的数据包；
云监控平台主要作用是实时收集RS485云智能采集模块上报的诊断信息和RS485云智能采集模块的运行状态参数，同时当RS485云智能采集模块需要功能升级时，通过云监控平台下发升级固件，实现OTA空中远程在线升级，实现RS485云智能采集模块的智能化。
进一步的，通信模块采用具有内置实时时钟型的，设定为定时工作和定时休眠的状态，最大化的降低系统功耗。
进一步的，其中实现空中在线升级的方法如下：
首先将内部Flash为256Kb，将Flash分为两个区，分别为引导区A，应用区B，备份区C；
引导区A的起始位置为0x8000000，结束地址为0x8006000，占用24Kb；引导区主要的作用为实现升级文件下载，将升级文件写入到应用区，占用大小为110KB；备份区用于存储下发的升级文件，大小为110KB；
应用区B的起始地址为0x8006000，占用剩余的Flash大小；应用区代码实现振弦采集仪功能；
升级过程为：
a、设备上电后从引导区开始执行，在引导区读取EEPROM中的升级标志，如果判断执行升级流程，则进入引导区执行升级流程；若判断不升级，则执行跳转指令执行，直接跳转到应用区执行代码；
b、应用区代码可以接受升级指令，当接收到升级指令后，写入EEPROM标志，然后设备重启；
c、设备重启后，由引导程序进入升级流程，按照协议下发升级文件到备份区，升级完成后，校验文件，如果接受正常，则将备份区的数据拷贝到应用区，拷贝完成后，清除EEPROM中的升级标志，设备重启执行新的固件代码；如果接受过程中失败或者校验失败，则不进行备份区拷贝，并清除EEPROM中的升级标志重启，继续执行原固件。
本发明的有益效果：
本发明专利解决了目前行业内RS485网络设备（如RS485集线器）无法远程监控运行状态、无法在线升级、无法自诊断等问题，实现了RS485网络设备的智能化，提高了工作RS485现场系统集成的可靠性和便利性，以及低维护成本、快速定位故障的能力。
附图说明
图1为本发明模块连接框图；
图2为本发明组网示意图；
图3为本发明整个监控系统组网图；
图4为本发明固件升级程序流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种RS485接口传感器的采集模块，它包括通信模块1、多串口微控制器模块2、隔离型RS485驱动器模块3、接口防护模块4、电源管理模块5、隔离电源模块6、电流采样监控模块7、数据存储模块8、电源分路模块9和RS485总线驱动器10；
所述多串口微控制器模块2分别与通信模块1、电流采样监控模块7、隔离型RS485驱动器模块3、数据存储模块8和RS485总线驱动器10连接；
所述通信模块1连接电源管理模块5，电源管理模块5分别与电流采样监控模块7和隔离电源模块6连接；
隔离电源模块6与电源分路模块9连接，电源分路模块9与隔离型RS485驱动器模块3连接，隔离型RS485驱动器模块3与接口防护模块4连接。
RS485网络主机13通过RS485云智能采集模块11与RS485型传感器12连接；
云监控平台15通过通信模块1对RS485云智能采集模块11进行通信。
云监控平台15通过通讯基站14与RS485云智能采集模块11连接。
多串口微控制器2含有5个串口，使用其中1个串口作为与RS485总线测通信的主串口即连接RS485总线驱动器10，其他4个串口作为扩展通信接口与外部隔离型RS485驱动模块3连接。
实施例2
一种RS485接口传感器的采集模块的采集方法：
通信模块1通过CMOS电平串口与多串口微控制器进行通信，将数据RS485云智能采集模块的工作状态发送给监控平台，同时通过监控平台主动发送控制命令、诊断信息查询命令、系统升级命令对RS485云智能采集模块进行远程监控和控制；
多串口微控制器模块2具有多个串口的微控制器，同时采用多串口微控制器的好处是可以灵活进行系统升级和配置，而且针对RS485云智能采集模块挂载的不同协议类型的RS485接口传感器，进行协议转换，统一通信规约，减少协议冲突，间接提高网络的可靠性；
隔离型RS485驱动器模块3采用集成型隔离模块；
接口防护模块4是RS485接口和对外供电接口的抗浪涌保护，其中RS485信号为差分信号，采用差分型抗浪涌保护，对外电源采用单端的抗浪涌保护，两个接口抗浪涌保护都采用二级防护电路，第一级采用GDT经过退耦器件后第二级采用TVS管；
电源管理模块5负责给通信模块、多串口MCU、隔离电源和模拟电路提供能量，将外部提供的一次电源变换成系统所需要的二次电源；
隔离电源模块6对外提供给RS485型传感器的电源；
电流采样监控模块7对外部RS485型传感器负载的电流消耗情况进行实时监控，当发生异常时，RS485云智能采集模块能通过电流采样监控模块内部的模数转换器进行数据转换，并通过微控制器进行识别并转换成故障诊断消息发送给通信模块；
数据存储模块8是将RS485型传感器测量到的数据除了往RS485总线上发送外，同时RS485云智能采集模块11也做一个同步备份，以避免在极端情况下，RS485云智能采集模块也可根据系统配置的容错机制自动定时采集，临时替代RS485网络主机13的作用，待RS485总线恢复正常后，再将数据存储模块内的数据逐条发送给RS485总线上的主机，同时RS485云智能采集模块也将RS485总线异常故障上报给云监控平台；
电源分路模块9用于将隔离电源模块6提供的电源分成多路提供给外部RS485型传感器，每一路采用单独的自恢复保险丝和取样电阻，这样当外部线路发生故障时，故障线路不会影响其他线路的供电，同时该方法也能减少电源模块，减小成本和体积；
RS485总线驱动器10负责RS485总线侧RS485信号驱动，主要是接收来自于RS485网络主机13的命令和负责返回被采集RS485型传感器的数据包；
RS485网络主机13主要负责发送数据采集命令帧和接收来自于传感器返回的数据包；
云监控平台15主要作用是实时收集RS485云智能采集模块上报的诊断信息和RS485云智能采集模块的运行状态参数，同时当RS485云智能采集模块需要功能升级时，通过云监控平台下发升级固件，实现OTA空中远程在线升级，实现RS485云智能采集模块的智能化。
通信模块1采用具有内置实时时钟型的，设定为定时工作和定时休眠的状态，最大化的降低系统功耗。
其中实现空中在线升级的方法如下：
首先将内部Flash为256Kb，将Flash分为两个区，分别为引导区A，应用区B，备份区C；
引导区A的起始位置为0x8000000，结束地址为0x8006000，占用24Kb；引导区主要的作用为实现升级文件下载，将升级文件写入到应用区，占用大小为110KB；备份区用于存储下发的升级文件，大小为110KB；
应用区B的起始地址为0x8006000，占用剩余的Flash大小；应用区代码实现振弦采集仪功能；
升级过程为：
a、设备上电后从引导区开始执行，在引导区读取EEPROM中的升级标志，如果判断执行升级流程，则进入引导区执行升级流程；若判断不升级，则执行跳转指令执行，直接跳转到应用区执行代码；
b、应用区代码可以接受升级指令，当接收到升级指令后，写入EEPROM标志，然后设备重启；
c、设备重启后，由引导程序进入升级流程，按照协议下发升级文件到备份区，升级完成后，校验文件，如果接受正常，则将备份区的数据拷贝到应用区，拷贝完成后，清除EEPROM中的升级标志，设备重启执行新的固件代码；如果接受过程中失败或者校验失败，则不进行备份区拷贝，并清除EEPROM中的升级标志重启，继续执行原固件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种RS485接口传感器的采集模块，其特征在于：它包括通信模块（1）、多串口微控制器模块（2）、隔离型RS485驱动器模块（3）、接口防护模块（4）、电源管理模块（5）、隔离电源模块（6）、电流采样监控模块（7）、数据存储模块（8）、电源分路模块（9）和RS485总线驱动器（10）；
所述多串口微控制器模块（2）分别与通信模块（1）、电流采样监控模块（7）、隔离型RS485驱动器模块（3）、数据存储模块（8）和RS485总线驱动器（10）连接；
所述通信模块（1）连接电源管理模块（5），电源管理模块（5）分别与电流采样监控模块（7）和隔离电源模块（6）连接；
隔离电源模块（6）与电源分路模块（9）连接，电源分路模块（9）与隔离型RS485驱动器模块（3）连接，隔离型RS485驱动器模块（3）与接口防护模块（4）连接。
2.根据权利要求1所述的RS485接口传感器的采集模块，其特征在于：RS485网络主机（13）通过RS485云智能采集模块（11）与RS485型传感器（12）连接；
云监控平台（15）通过通信模块（1）对RS485云智能采集模块（11）进行通信。
3.根据权利要求2所述的RS485接口传感器的采集模块，其特征在于：云监控平台（15）通过通讯基站（14）与RS485云智能采集模块（11）连接。
4.根据权利要求1所述的RS485接口传感器的采集模块，其特征在于：多串口微控制器（2）含有5个串口，使用其中1个串口作为与RS485总线测通信的主串口即连接RS485总线驱动器（10），其他4个串口作为扩展通信接口与外部隔离型RS485驱动模块（3）连接。
5.一种RS485接口传感器的采集模块的采集方法，其特征在于：
通信模块（1）通过CMOS电平串口与多串口微控制器进行通信，将数据RS485云智能采集模块的工作状态发送给监控平台，同时通过监控平台主动发送控制命令、诊断信息查询命令、系统升级命令对RS485云智能采集模块进行远程监控和控制；
多串口微控制器模块（2）具有多个串口的微控制器，同时采用多串口微控制器的好处是可以灵活进行系统升级和配置，而且针对RS485云智能采集模块挂载的不同协议类型的RS485接口传感器，进行协议转换，统一通信规约，减少协议冲突，间接提高网络的可靠性；
隔离型RS485驱动器模块（3）采用集成型隔离模块；
接口防护模块（4）是RS485接口和对外供电接口的抗浪涌保护，其中RS485信号为差分信号，采用差分型抗浪涌保护，对外电源采用单端的抗浪涌保护，两个接口抗浪涌保护都采用二级防护电路，第一级采用GDT经过退耦器件后第二级采用TVS管；
电源管理模块（5）负责给通信模块、多串口MCU、隔离电源和模拟电路提供能量，将外部提供的一次电源变换成系统所需要的二次电源；
隔离电源模块（6）对外提供给RS485型传感器的电源；
电流采样监控模块（7）对外部RS485型传感器负载的电流消耗情况进行实时监控，当发生异常时，RS485云智能采集模块能通过电流采样监控模块内部的模数转换器进行数据转换，并通过微控制器进行识别并转换成故障诊断消息发送给通信模块；
数据存储模块（8）是将RS485型传感器测量到的数据除了往RS485总线上发送外，同时RS485云智能采集模块（11）也做一个同步备份，以避免在极端情况下，RS485云智能采集模块也可根据系统配置的容错机制自动定时采集，临时替代RS485网络主机（13）的作用，待RS485总线恢复正常后，再将数据存储模块内的数据逐条发送给RS485总线上的主机，同时RS485云智能采集模块也将RS485总线异常故障上报给云监控平台；
电源分路模块（9）用于将隔离电源模块（6）提供的电源分成多路提供给外部RS485型传感器，每一路采用单独的自恢复保险丝和取样电阻，这样当外部线路发生故障时，故障线路不会影响其他线路的供电，同时该方法也能减少电源模块，减小成本和体积；
RS485总线驱动器（10）负责RS485总线侧RS485信号驱动，主要是接收来自于RS485网络主机（13）的命令和负责返回被采集RS485型传感器的数据包；
RS485网络主机（13）主要负责发送数据采集命令帧和接收来自于传感器返回的数据包；
云监控平台（15）主要作用是实时收集RS485云智能采集模块上报的诊断信息和RS485云智能采集模块的运行状态参数，同时当RS485云智能采集模块需要功能升级时，通过云监控平台下发升级固件，实现OTA空中远程在线升级，实现RS485云智能采集模块的智能化。
6.根据权利要求5所述的RS485接口传感器的采集模块的采集方法，其特征在于：通信模块（1）采用具有内置实时时钟型的，设定为定时工作和定时休眠的状态，最大化的降低系统功耗。
7.根据权利要求5所述的RS485接口传感器的采集模块的采集方法，其特征在于：
其中实现空中在线升级的方法如下：
首先将内部Flash为256Kb，将Flash分为两个区，分别为引导区A，应用区B，备份区C；
引导区A的起始位置为0x8000000，结束地址为0x8006000，占用24Kb；引导区主要的作用为实现升级文件下载，将升级文件写入到应用区，占用大小为110KB；备份区用于存储下发的升级文件，大小为110KB；
应用区B的起始地址为0x8006000，占用剩余的Flash大小；应用区代码实现振弦采集仪功能；
升级过程为：
a、设备上电后从引导区开始执行，在引导区读取EEPROM中的升级标志，如果判断执行升级流程，则进入引导区执行升级流程；若判断不升级，则执行跳转指令执行，直接跳转到应用区执行代码；
b、应用区代码可以接受升级指令，当接收到升级指令后，写入EEPROM标志，然后设备重启；
c、设备重启后，由引导程序进入升级流程，按照协议下发升级文件到备份区，升级完成后，校验文件，如果接受正常，则将备份区的数据拷贝到应用区，拷贝完成后，清除EEPROM中的升级标志，设备重启执行新的固件代码；如果接受过程中失败或者校验失败，则不进行备份区拷贝，并清除EEPROM中的升级标志重启，继续执行原固件。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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