CN112714105A - 一种嵌入式opc ua协议转换系统 - Google Patents

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CN112714105A CN202011460706.8A CN202011460706A CN112714105A CN 112714105 A CN112714105 A CN 112714105A CN 202011460706 A CN202011460706 A CN 202011460706A CN 112714105 A CN112714105 A CN 112714105A
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郑文斌
郭阳明
郑立
朱犇
蒋宗敏
何佩
王佑
陈法玉
金明
夏伟民
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Abstract

本发明提供了一种嵌入式OPC UA协议转换系统，包括异构电力设备、输入模块、嵌入式系统、输出模块和数据接收设备，通过输入模块采集传输异构电力设备的数据至嵌入式系统内，嵌入式系统进行OPC UA协议格式数据转换，最后又输出模块上传至数据接收设备内。本发明提供的嵌入式OPC UA协议转换系统硬件设计，能够在满足协议转换要求的前提下，节省成本并保证系统运行安全，在嵌入式系统的ESD防护方面进行加强。

Description

一种嵌入式OPC UA协议转换系统
技术领域
本发明涉及协议转换嵌入式系统硬件设计技术领域，尤其是指一种嵌入式OPC UA协议转换系统。
背景技术
随着智能制造、电力物联网的不断进步，电力系统中所涉及的电力设备种类越来越多，而且由于电力系统中涉及的电力设备的生产厂家不同，电力设备的数据输出接口往往是不一样的，有的电力设备甚至不开放接口。在需要进行各类电力设备的运行大数据分析时，需要采集各类电力设备的现场数据，单数不同数据输出接口使得数据集成成了一大难点。所以为了能将各类电力设备的数据集成至上层信息和管理系统，需要一种具有多种不同接口和协议的支持并且有着标准的数据输出接口，在能采集多种电力设备数据的同时也能将采集到的数据以同一种数据格式输出，以方便各类电力设备的运行大数据分析。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种嵌入式OPC UA协议转换系统。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
一种嵌入式OPC UA(OPC Unified Architecture OPC统一架构)协议转换系统，包括异构电力设备、输入模块、嵌入式系统、输出模块和数据接收设备，所述异构电力设备与输入模块连接，所述输入模块和输出模块均与嵌入式系统相连接，所述输入模块用于采集若干个异构电力设备协议数据并将采集到的异构电力设备协议数据传输至嵌入式系统中，所述嵌入式系统用于转换异构电力设备协议数据为OPC UA格式数据并储存转换得到的OPCUA格式数据，所述输出模块还与数据接收设备连接，所述输出模块用于接收数据接收设备发送的数据上传请求和上传嵌入式系统转换得到的OPC UA格式数据至数据接收设备。
通过嵌入式系统对采集到的异构电力设备协议数据进行OPC UA格式转换，嵌入式系统的可编程性使得OPC UA协议转换系统可以适应更多的应用场景，输入模块连接异构电力设备，嵌入式系统可以通过输入模块来判断其连接的异构电力设备协议数据的类型，而输出模块则控制了数据的输出，只有在接收到数据接收设备的数据上传请求时才上传数据，有利于数据接收设备接收到的数据的有效性，帮助数据接收设备筛选有效数据。
进一步的，所述输入模块包括输入接口单元和输入通信单元，所述输入接口单元为数据传输通道，所述输入接口单元与异构电力设备连接，所述输入接口单元包括若干个串行通讯接口，所述串行通讯接口包括至少两个RS232串行通讯接口和至少两个RS485串行通讯接口，所述串行通讯接口之间均采用数字隔离器实现全隔离，一个串行通讯接口使用一种通信协议与支持该协议的异构电力设备进行数据传输；所述输入通信单元与输入接口单元连接，所述输入通信单元还与嵌入式系统连接，所述输入通信系统用于检测异构电力设备通信状态并将异构电力设备协议数据响应至嵌入式系统。
RS232串行通讯接口和RS485串行通讯接口可以适应更多的应用场景，针对不同类型的异构电力设备可以选择不同的通讯接口，且每个串行通讯接口只对应一种通讯协议，在数据传输至嵌入式系统时，可以直接根据串行通讯接口来判断该异构电力设备协议数据的类型，节省了嵌入式系统进行数据类型判断的时间。而每个串行通讯接口采用的数字隔离器具有简单的数字接口和稳定的性能特征，能够帮助克服电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。
进一步的，嵌入式系统至少包括嵌入式微处理器、时钟模块、电源模块、JTAG模块、复位模块和存储器模块，所述时钟模块、电源模块、JTAG模块、复位模块和存储器模块均与嵌入式微处理器连接；所述微处理器用于实现异构电力设备协议数据的OPC UA协议转换，所述时钟电路用于为嵌入式微处理器及其他模块提供工作时钟，所述电源模块用于为嵌入式系统内所有模块提供工作电压，所述JTAG模块用于进行系统调试和编程，所述复位模块用于预防嵌入式微处理器出现运行错误，所述存储器模块用于储存嵌入式微处理器运行程序以及操作数据。
由于现场检测数据时，数据计算量往往十分之大，所以选用嵌入式微处理器来进行数据转换运算，计算速度快，且具有成本低，可靠性高的优点。而嵌入式系统的基础外围电路则保证了嵌入式微处理器可以进行正常运行。
进一步的，所述嵌入式微处理器具体为AM3352微处理器。
AM3352微处理器具有支持多种实时协议的可编程实时控制单元，且具有丰富的工业接口和高速接口，可以接收进行协议转换时需要面对的多种类型的协议数据。
进一步的，所述电源模块采用模块电源B0505LD-1W产生嵌入式系统工作所需的工作电压，所述电源模块电压输出端口输出包括嵌入式微处理器供电端口和外围电路供电端口，所述嵌入式微处理器供电端口提供的工作电压为2.5V，所述外围电路供电端口提供的工作电压为3.3V。
进一步的，所述时钟模块包括时钟芯片R8025、电阻R1、电阻R2、电阻R3和开关二极管D1，所述时钟芯片R8025的INTB引脚与电阻R1与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片VDD引脚通过开关二极管D1与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片R8025的FOE引脚通过电阻R2接地，所述时钟芯片R8025的INTA引脚通过电阻R3与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片R8025的GND引脚接地，所述时钟芯片的SCL引脚与SDA引脚均连接在串行总线上，所述时钟芯片的SCL引脚用于输入串行通讯数据，所述时钟芯片的SDA引脚用于输出串行通讯数据，所述时钟芯片通过时钟芯片的INTA引脚选择输出中断周期。
时钟模块保证了嵌入式系统可以支持运行，而时钟芯片额INTA引脚可以从2Hz、1Hz、60Hz和3600Hz中选择中断周期，根据不同的采集数据要求来确定中断周期，以适应更多的应用场景和数据采集要求。
进一步的，所述时钟模块还包括开关二极管D2和电池B1，开关二极管D2负极与所述时钟芯片R8025的VDD引脚连接，所述开关二极管D2负极还与开关二极管D1负极连接，所述开关二极管D2正极与电池B1负极连接，所述电池B1正极接地，所述电池B1用于在电源模块供电中断时为时钟芯片R8025进行供电。
如果电源模块对时钟模块的供电出现中断时，可以通过电池为时钟模块进行供电，使得时钟模块即使在系统掉电的情况下也可以继续运行，保证了时钟频率的准确性。
进一步的，所述存储器模块中包括FLASH存储单元和SDRAM存储单元，所述FLASH存储单元和SDRAM存储单元均与嵌入式微处理器连接，所述FLASH存储模块用于保存嵌入式系统应用程序和嵌入式系统掉电后的应用数据，所述FLASH存储单元采用SD存储卡作为数据存储设备，所述SDRAM存储单元用于为系统代码运行提供动态存储空间；所述存储器模块还包括静电二极管，所述静电二极管用于提供嵌入式系统掉电后的ESD防护。
SD卡作为一种基于FLASH的新型存储器，具有着体积小、功耗低、高可靠性、可擦写、非易失性等优点，采用SD卡作为系统数据存储设备，可以满足存储异构电力设备协议数据的容量需求且可保证存储的数据的安全性。
进一步的，所述输出模块包括输出接口单元和输出通信单元，所述输出接口单元为数据传输通道，所述输出接口单元与嵌入式系统连接，所述输出接口单元包括以太网通信接口，所述以太网通信接口采用了LAN8720A以太网PHY芯片进行电路搭建；所述输出通信单元与输出接口单元连接，所述输出通信模块与数据接收设备连接，所述输出通信单元用于接收数据接收设备的数据上传请求和上传异构电力设备协议数据，所述输出通信单元通过OPC UA协议数据接口与数据接收设备连接。
LAN8720A以太网PHY芯片具有低能耗、高ESD防护水平的优点，且支持全双工数据传输方式，还具备HPAuto-MDIX自动翻转功能，保证了数据传输过程中的安全性
本发明的有益效果是：
多串口通讯接口支持多种异构电力设备，即使是不同类型的异构设备协议设备也可以进行统一采集，且嵌入式系统的可编写性保证了可以根据不同场景内采集的异构电力设备协议数据类型来进行OPC UA格式数据转换，使得OPC UA协议转换系统可以适应更多的应用场景。且嵌入式系统内所采用的各类芯片及电路设计都在保证了嵌入式系统可以正常运行的同时保证嵌入式系统的安全性，都做好了严格的ESD防护。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明实施例的一种嵌入式系统结构示意图；
图3是本发明实施例的一种时钟模块电路图；。
其中：1、异构电力设备，2、输入模块，2-1、输入接口单元，2-2、输入通信单元，3、嵌入式系统，3-1、嵌入式微处理器，3-2、时钟模块、3-3、电源模块、3-4、JTAG模块，3-5、复位模块，3-6、UART模块，3-7、存储器模块，3-7-1、FLASH单元、3-7-2、SDRAM单元，3-8、系统总线扩展模块，4、输出模块，4-1、输出接口单元，4-2、输出通信单元，5、数据接收设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例：
如图1所示，一种嵌入式OPC UA协议转换系统，包括异构电力设备1、输入模块2、嵌入式系统3、输出模块4和数据接收设备5，所述异构电力设备1与输入模块2连接，所述输入模块2和输出模块4均与嵌入式系统3相连接，所述输入模块2用于采集若干个异构电力设备1协议数据并传输采集到的异构电力设备1协议数据至嵌入式系统3中，所述嵌入式系统3用于转换异构电力设备1协议数据为OPC UA格式数据并储存转换得到的OPC UA格式数据，所述输出模块4还与数据接收设备5连接，所述输出模块4用于接收数据接收设备5发送的数据上传请求和上传OPC UA格式数据至数据接收设备5。
所述输入模块2包括输入接口单元2-1和输入通信单元2-2，所述输入接口单元2-1为数据传输通道，所述输入接口单元2-1与异构电力设备1连接，所述输入接口单元2-1包括若干个串行通讯接口，所述串行通讯接口包括至少两个RS232串行通讯接口和至少两个RS485串行通讯接口，所述串行通讯接口之间均采用数字隔离器实现全隔离，数字隔离器具体为ADI变压器式数字隔离器ADuM1412，ADuM1412隔离器提供四个独立的隔离通道，且与低压系统兼容并且能够跨越隔离栅实现电压转换功能，同时支持多种通道配置，具备最高达10Mbps的数据速率。一个串行通讯接口使用一种通信协议与支持该协议的异构电力设备1进行数据传输；所述输入通信单元2-2与输入接口单元2-1连接，所述输入通信单元2-2还与嵌入式系统3连接，所述输入通信系统用于检测异构电力设备1通信状态并将异构电力设备1协议数据响应至嵌入式系统3。
输入接口单元2-1支持连接执行Modbus标准协议的Modbus设备，采用S7协议的西门子PLC通信设备，采用HostLink协议的欧姆龙PLC通信设备，采用三菱协议的三菱FX系列PLC通信设备，而像一些机器人不开放接口，也可以通过设置其专有协议进行连接以进行数据采集。
RS232串行通讯接口和RS485串行通讯接口可以适应更多的应用场景，针对不同类型的异构电力设备1可以选择不同的通讯接口，且每个串行通讯接口只对应一种通讯协议，在数据传输至嵌入式系统3时，可以直接根据串行通讯接口来判断该异构电力设备协议数据的类型，节省了嵌入式系统3进行数据类型判断的时间。而每个串行通讯接口采用的数字隔离器具有简单的数字接口和稳定的性能特征，能够帮助克服电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。
如图2所示，嵌入式系统3包括嵌入式微处理器3-1、时钟模块3-2、电源模块3-3、JTAG模块3-4、复位模块3-5、UART模块3-6、系统总线扩展模块3-8和存储器模块3-7，所述时钟模块3-2、电源模块3-3、JTAG模块3-4、复位模块3-5、UART模块3-6、系统总线扩展模块3-8和存储器模块3-7均与嵌入式微处理器3-1连接；所述嵌入式微处理器3-1用于实现异构电力设备1协议数据的OPC UA协议转换，所述时钟模块3-2用于为嵌入式微处理器3-1及其他模块提供工作时钟，所述电源模块3-3用于为嵌入式系统3内所有模块提供工作电压，所述JTAG模块3-4用于进行系统调试和编程，所述复位模块3-5用于预防嵌入式微处理器3-1出现运行错误，所述存储器模块3-7用于储存嵌入式微处理器3-1运行程序以及操作数据；所述嵌入式系统3还可以根据自身的特定需求利用系统总线扩展模块3-8进行二次开发。
所述嵌入式微处理器3-1具体为AM3352微处理器。
所述电源模块3-3采用模块电源B0505LD-1W产生嵌入式系统工作所需的工作电压，所述电源模块3-3电压输出端口输出包括嵌入式微处理器3-1供电端口和外围电路供电端口，所述嵌入式微处理器3-1供电端口提供的工作电压为2.5V，所述外围电路供电端口提供的工作电压为3.3V。
所述时钟模块3-2包括时钟芯片R8025、电阻R1、电阻R2、电阻R3和开关二极管D1，所述时钟模块3-2将10MHz作为嵌入式工作的主时钟频率，所述时钟芯片R8025的INTB引脚与电阻R1与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片VDD引脚通过开关二极管D1与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片R8025的FOE引脚通过电阻R2接地，所述时钟芯片R8025的INTA引脚通过电阻R3与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片R8025的GND引脚接地，所述时钟芯片的SCL引脚与SDA引脚均连接在串行总线上，所述时钟芯片的SCL引脚用于输入串行通讯数据，所述时钟芯片的SDA引脚用于输出串行通讯数据，所述时钟芯片通过时钟芯片的INTA引脚选择输出中断周期。
所述时钟模块3-2还包括开关二极管D2和电池B1，开关二极管D2负极与所述时钟芯片R8025的VDD引脚连接，所述开关二极管D2负极还与开关二极管D1负极连接，所述开关二极管D2正极与电池B1负极连接，所述电池B1正极接地，所述电池B1用于在电源模块3-3供电中断时为时钟芯片R8025进行供电。
时钟模块3-2还设计有振动停止检测功能，用于对振动停止事件进行记忆。通过这一功能可以判断双路电源是否发生过电压为0V的事件，从而判断此时计时数据是否有效，而电源模块3-3也设计有电压检测功能，以实现对“电源电压低于设定电压”事件发生的检测和记录，通过设定电压可设定2.1V或1.3V，并以每秒抽样的方式进行电源电压监视。而电源模块3-3具备的电压检测功能也可以用来判断计时数据是否有效。
时钟模块3-2中电阻R1、R2和R3阻值均为4.7KΩ，且采用的电池B1为CR2032电池，开关二极管D1和开关二极管D2型号均为IN4148。
所述存储器模块3-7中包括FLASH存储单元3-7-1和SDRAM存储单元3-7-2，所述FLASH存储单元3-7-1和SDRAM存储单元3-7-2均与嵌入式微处理器3-1连接，所述FLASH存储单元3-7-1用于保存嵌入式系统应用程序和嵌入式系统掉电后的应用数据，所述FLASH存储单元3-7-1采用SD存储卡作为数据存储设备，所述SDRAM存储单元3-7-2用于为系统代码运行提供动态存储空间；所述存储器模块3-7还包括静电二极管，所述静电二极管用于提供嵌入式系统掉电后的ESD防护。
所述输出模块4包括输出接口单元和输出通信单元，所述输出接口单元为数据传输通道，所述输出接口单元与嵌入式系统3连接，所述输出接口单元包括以太网通信接口，所述以太网通信接口采用了LAN8720A以太网PHY芯片进行电路搭建，而LAN8720A以太网PHY芯片具有高于IEC规范的ESD保护水平，不需要增加外部保护装置；所述输出通信单元与输出接口单元连接，所述输出通信模块与数据接收设备5连接，所述输出通信单元用于接收数据接收设备5的数据上传请求和上传异构电力设备1协议数据，所述输出通信单元通过OPCUA协议数据接口与数据接收设备5连接。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，包括异构电力设备(1)、输入模块(2)、嵌入式系统(3)、输出模块(4)和数据接收设备(5)，所述异构电力设备(1)与输入模块(2)连接，所述输入模块(2)和输出模块(4)均与嵌入式系统(3)相连接，所述输入模块(2)用于采集若干个异构电力设备(1)协议数据并将采集到的异构电力设备(1)协议数据传输至嵌入式系统(3)中，所述嵌入式系统(3)用于转换异构电力设备(1)协议数据为OPC UA格式数据并储存转换得到的OPC UA格式数据，所述输出模块(4)还与数据接收设备(5)连接，所述输出模块(4)用于接收数据接收设备(5)发送的数据上传请求和上传嵌入式系统(3)转换得到的OPC UA格式数据至数据接收设备(5)。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，所述输入模块(2)包括输入接口单元(2-1)和输入通信单元(2-2)，所述输入接口单元(2-1)为数据传输通道，所述输入接口单元(2-1)与异构电力设备(1)连接，所述输入接口单元(2-1)包括若干个串行通讯接口，所述串行通讯接口包括至少两个RS232串行通讯接口和至少两个RS485串行通讯接口，所述串行通讯接口之间均采用数字隔离器实现全隔离，一个串行通讯接口使用一种通信协议与支持该协议的异构电力设备(1)进行数据传输；所述输入通信单元(2-2)与输入接口单元(2-1)连接，所述输入通信单元(2-2)还与嵌入式系统(3)连接，所述输入通信系统用于检测异构电力设备(1)通信状态并将异构电力设备(1)协议数据响应至嵌入式系统(3)。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，嵌入式系统(3)至少包括嵌入式微处理器(3-1)、时钟模块(3-2)、电源模块(3-3)、JTAG模块(3-4)、复位模块(3-5)和存储器模块(3-7)，所述时钟模块(3-2)、电源模块(3-3)、JTAG模块(3-4)、复位模块(3-5)和存储器模块(3-7)均与嵌入式微处理器(3-1)连接；所述嵌入式微处理器(3-1)用于实现异构电力设备(1)协议数据的OPC UA协议转换，所述时钟模块(3-2)用于为嵌入式微处理器(3-1)及其他模块提供工作时钟，所述电源模块(3-3)用于为嵌入式系统(3)内所有模块提供工作电压，所述JTAG模块(3-4)用于进行系统调试和编程，所述复位模块(3-5)用于预防嵌入式微处理器(3-1)出现运行错误，所述存储器模块(3-7)用于储存嵌入式微处理器(3-1)运行程序以及操作数据。
4.根据权利要求3所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，所述嵌入式微处理器(3-1)具体为AM3352微处理器。
5.根据权利要求3所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，所述电源模块(3-3)采用模块电源B0505LD-1W产生嵌入式系统工作所需的工作电压，所述电源模块(3-3)电压输出端口输出包括嵌入式微处理器(3-1)供电端口和外围电路供电端口，所述嵌入式微处理器(3-1)供电端口提供的工作电压为2.5V，所述外围电路供电端口提供的工作电压为3.3V。
6.根据权利要求3所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，所述时钟模块(3-2)包括时钟芯片R8025、电阻R1、电阻R2、电阻R3和开关二极管D1，所述时钟芯片R8025的INTB引脚与电阻R1与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片VDD引脚通过开关二极管D1与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片R8025的FOE引脚通过电阻R2接地，所述时钟芯片R8025的INTA引脚通过电阻R3与外围电路供电端口连接，所述时钟芯片R8025的GND引脚接地，所述时钟芯片的SCL引脚与SDA引脚均连接在串行总线上，所述时钟芯片的SCL引脚用于输入串行通讯数据，所述时钟芯片的SDA引脚用于输出串行通讯数据，所述时钟芯片通过时钟芯片的INTA引脚选择输出中断周期。
7.根据权利要求6所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，所述时钟模块(3-2)还包括开关二极管D2和电池B1，开关二极管D2负极与所述时钟芯片R8025的VDD引脚连接，所述开关二极管D2负极还与开关二极管D1负极连接，所述开关二极管D2正极与电池B1负极连接，所述电池B1正极接地，所述电池B1用于在电源模块(3-3)供电中断时为时钟芯片R8025进行供电。
8.根据权利要求3所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，所述存储器模块(3-7)中包括FLASH存储单元(3-7-1)和SDRAM存储单元(3-7-2)，所述FLASH存储单元(3-7-1)和SDRAM存储单元(3-7-2)均与嵌入式微处理器(3-1)连接，所述FLASH存储单元(3-7-1)用于保存嵌入式系统应用程序和嵌入式系统掉电后的应用数据，所述FLASH存储单元(3-7-1)采用SD存储卡作为数据存储设备，所述SDRAM存储单元(3-7-2)用于为系统代码运行提供动态存储空间；所述存储器模块(3-7)还包括静电二极管，所述静电二极管用于提供嵌入式系统掉电后的ESD防护。
9.根据权利要求1所述的一种嵌入式OPC UA协议转换系统，其特征在于，所述输出模块(4)包括输出接口单元(4-1)和输出通信单元(4-2)，所述输出接口单元(4-1)为数据传输通道，所述输出接口单元(4-1)与嵌入式系统(3)连接，所述输出接口单元(4-1)包括以太网通信接口，所述以太网通信接口采用了LAN8720A以太网PHY芯片进行电路搭建；所述输出通信单元(4-2)与输出接口单元(4-1)连接，所述输出通信模块与数据接收设备(5)连接，所述输出通信单元(4-2)用于接收数据接收设备(5)的数据上传请求和上传异构电力设备(1)协议数据，所述输出通信单元(4-2)通过OPC UA协议数据接口与数据接收设备(5)连接。
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