CN205986939U - 一种嵌入式rtu多协议自动适配器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种了嵌入式RTU多协议自动适配器，其包括由CPU芯片、数据缓冲器、接口电平转换电路、串行接口、参数配置口和数据采集口组成；CPU芯片内置有处理器、FLASH、RAM和串行口外设。数据采集口可实时接收传感器的数据，并存入数据缓存器，参数配置口可配置应用协议以及通信参数，选择FLASH中存储的用户应用协议，执行相应指令，在RAM中形成协议数据单元(PDU)，再通过接口电平转换电路和串行接口发送至中心站。本实用新型有效屏蔽不同厂家RTU设备在应用协议上的差异，为新的RTU接入各种系统组网运行提供解决方案。本实用新型有效降低多样化数据采集系统建设和运营成本。

Description

一种嵌入式RTU多协议自动适配器

技术领域

本实用新型涉及一种嵌入式RTU多协议自动适配器，具体涉及一种基于嵌入式协议栈的RTU采集数据传输多协议通信适配器。它特别适用于不同传感器数据采集应用层通信协议的方便加载与自适应组网传输，在保证传感器数据采集协议与外部多种通信终端不变的情况下，实现采集数据从RTU到中心站的高效传输。

背景技术

远程测控终端系统(RTU)是构成水文水资源监控系统的核心装置，由于使用面广量大，存在不同的RTU设备生产厂商和不同时期的RTU设备，这些不同的厂商和不同时期的设备会有不同的通信或应用协议。在实际应用中，由于多种原因，在一个系统会存在大量不同时期、不同厂家的各种设备，这些设备的应用层通信协议大多不尽相同，相应的，中心站数据接收端数据接收程序也不同，从而造成信息解析和通信组网的困难。目前与RTU配套使用的通信适配器大都集成在一块主板上,只支持一种应用协议，即使有些独立电路板，也不支持动态协议配置。

因此，设备硬件设计的可扩展和嵌入式协议软件设计的抽象化、模块化，使新开发的数据采集设备能够兼容多协议应用选择，依赖适配器自身驻留协议框架各组成部分核心程序代码，通过参数配置，即时拼装出新的协议，提高水文水资源数据采集系统的设备可集成性和快速部署。据此，本实用新型利用研发一种嵌入式RTU多协议自动适配器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过将主流RTU通信协议的核心代码，写入嵌入式适配器的CPU芯片的FLASH存储器中，通过输入协议选择指令和配置参数，实现多种RTU应用层通信协议的拼装与加载，在保证传感器数据采集传输协议与外部多种通信终端不变的情况下，提高RTU的适用性，降低系统建设成本。

本实用新型目标的技术解决方案为：

适配器载体为一块电路板，包括CPU芯片(含FLASH、RAM、串行口外设)、数据缓冲器、接口电平转换电路、串行接口、参数配置接口、数据采集口、供电电源，通过串行接口与外部各种通信终端连接。

本实用新型主体由CPU芯片、数据缓冲器、接口电平转换电路、串行接口、参数配置口和数据采集口组成；CPU芯片内置有处理器、FLASH、RAM和串行口外设。CPU芯片通过内部电子线路和指令读取数据采集口或SD卡数据缓冲器上的数据，并缓存至RAM中；外部计算机通过参数配置口设置适配器参数和指定应用协议；CPU根据选定的协议标识，读取预先存在FLASH中的协议可执行代码的相关组成部分，完成组合与加载，并对整机进行初始化，将RAM中的数据封装成协议数据单元(PDU)，通过串口外设连接接口电平转换电路进行物理信号转换，经连接在串行接口上的外接通信终端发送到数据中心。

参数配置口采用USB或Console口，与普通PC机或其他用户终端连接，设置应用协议和通信参数。应用协议如水文协议、水资源协议、地下水协议、加密协议等；通信参数根据实际接入的通信终端和/或装置而定，支持MODEM、以太网卡、无线VHF/UHF通信装置、北斗卫星、海事卫星、VSAT、全线通、全球通等卫星信道接入装置、GSM/GPRS移动通信等装置。如外接以太网，需配置如IP地址、端口号、MAC地址绑定，若是北斗用户终端，需设置短信参数等。

CPU芯片内置的FLASH中存储用户协议核心算法的可执行代码，用不同的“虚函数”名标识，按照协议头、包格式数据结构和处理状态机几个部分，以“组件”形式存在，构成嵌入式协议栈；通过参数进行实例化，快速完成协议组合与加载，并支持新协议的开发和投用。

本实用新型从逻辑功能上看可以包括数据发送控制模块、嵌入式协议栈和硬件接口驱动模块三部分。

数据发送控制模块包括数据采集缓冲器、用户应用协议命令执行程序。数据采集缓冲器接收并保存来自传感器的实测数据；用户应用协议命令执行程序按照所选择的应用协议将缓存器中的各类感知数据进行封装，形成协议数据单元(PDU)，并通过收发控制程序执行数据发送和重发功能。

嵌入式协议栈，由协议适配、设备衔接和加载控制三部分组成。协议适配包含通用协议处理框架的基本要素，以“虚函数”保存在适配器CPU的FLASH空间中，如常用的水文协议、水资源协议、地下水协议、加密协议、私有协议等算法；设备衔接部分提供底层数据链路协议要求的地址、数据长度等参数；加载控制通过配置口接收用户配置指示，从“函数库”中选择合适的函数，快速组装成指定的应用协议，并启动RTU初始化过程，确定其与中心站的数据传输方式。

硬件接口驱动模块，包括设备驱动程序、收发缓冲和硬件接口。设备驱动程序完成对外部通信终端的使能和驱动，支持MODEM、以太网卡、无线VHF/UHF通信装置、北斗卫星、海事卫星、VSAT、全线通、全球通等卫星、GSM/GPRS移动等通信装置；收发缓冲存放符合数据链路层数据包大小限制的待发送数据；硬件接口采用通用串行接口，与外部通信终端的串口相连，完成最终的数据传输。

本实用新型具有以下显著特点：

1)将RTU的通信适配器制成独立器件，按照RTU应用层通信协议处理框架，内置各模块的核心代码，通过参数配置口，实现动态通信协议和组网模式的快速载，显著提高了遥测数据在不同用户协议和网络环境下传输的可扩展性和可靠性。

2)提供实时数据采集口和SD卡数据存储缓冲接口，分别接收传感器实时数据和人工转发的延时数据，可灵活集成在RTU成套设备中，也可与其他设备配合使用，在用户协议和组网方式改变的情况下，重新配置加载，实现多次配置灵活更新，有效降低整个系统的建设周期和费用。

附图说明

图1：为本实用新型的逻辑原理图。

图2：为本实用新型的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步描述：

图1是本实用新型的逻辑原理图，即本实用新型由数据发送控制模块、嵌入式协议栈和硬件接口驱动模块组成。数据发送控制模块用于接收、缓存来自各类水文、水资源、气象、环境传感器的数据，并根据选择的用户应用协议，形成协议数据单元(PDU)，存放在CPU的RAM中，供数据发送和重发；嵌入式协议栈按照协议的处理框架模型，将常用的水文协议、水资源协议、地下水协议、加密协议、私有协议等传输协议核心算法，以“函数库”形式保存在FLASH空间中，接收用户配置指示，选择合适的函数，快速组装成指定的应用协议，启动RTU初始化过程；硬件接口驱动模块采用通用串行接口，连接外部各种通信终端或装置，将数据发送控制模块传来的应用层PDU封装成数据链路层的数据帧，最终完成数据帧的发送和应答处理。

图2为本实用新型的电路框图。即由CPU芯片、数据缓冲器、接口电平转换电路、数据收发串行口、参数配置口、数据采集口及供电电源变换电路组成。其中：CPU芯片可采用STM32F103ZE，内置有FLASH、RAM存储空间和串行口外设(实现串行收发波特率自动控制)；数据缓冲器采用SD卡作存储介质，保证存储容量和可靠性；接口电平转换电路实现CPU到外接数据传输设备的硬件电平匹配；数据收发串行口是和外接数据传输设备的硬件物理连接口；参数配置口用于对协议适配器内部控制参数进行配置与管理；数据采集口用于采集、接收各类水文、水资源、气象、环境传感器的原始数据，采集到的原始数据进入SD卡做数据存储缓冲；供电电源变换电路实现整个适配器的电源供应。

本实用新型的工作过程如下：

本实用新型内置于RTU中，作为RTU的重要组成部分。本实用新型共享RTU的供电电源，通过板载的供电电源变换电路生成自需的供电电源，即由RTU供电电源(12V)转换成适配器的工作电源(3.3V)，维护自身正常工作。

封装编译好的多协议适配器可执行代码写入CPU芯片(采用μCOSII操作系统)的FLASH空间中。RTU设备使用前，根据外接传感器、数据传输设备和需要使用的协议类型，通过参数配置口进行合适的参数配置(包括应用协议指示、底层通信方式指示、本机和接收方IP地址、端口号、MAC地址绑定，短信参数等)，RTU加电复位后就可以自动加载“函数库”中配置参数所指定协议的虚函数，从而实现传输协议核心算法的加载执行。

RTU上电加载控制参数和算法程序后，数据采集口开始按配置需要采集外接传感器原始数据，原始数据在CPU控制下直接写入SD卡进行数据存储缓冲，收发控制提取缓冲器中的原始数据，按照所选择的应用协议将缓存器中的各类原始数据进行封装，形成协议数据，存入协议数据单元(PDU)；然后，收发控制启动数据发送，调用指定协议的虚函数，发送PDU。

硬件接口驱动模块通过通用串行接口连接外部各种通信终端，将PDU封装成数据链路层的数据帧，数据链路层数据帧通过外接通信终端发送出去，实现数据帧的发送和应答处理。

本实用新型能够解决多种应用层协议的自适应配置和组网数据传输的问题，提高RTU在新老系统集成建设中的效率。

Claims (3)

1.一种嵌入式RTU多协议自动适配器，其特征在于包括由CPU芯片、数据缓冲器、串行接口、参数配置口、接口电平转换电路和数据采集口组成；

CPU芯片内置有处理器、FLASH、RAM和串行口外设；所述的CPU芯片通过接口电平转换电路与数据采集口、参数配置口连接，SD卡数据缓冲器与CPU芯片连接；参数配置口外接外部计算机，用于设置适配器参数和指定应用协议；数据采集口连接传感器来获取数据；CPU芯片根据选定的协议标识，读取预先存在FLASH中的协议可执行代码，完成组合与加载，将数据封装成协议数据单元(PDU)存入RAM中，并通过CPU芯片内的串行口外设、接口电平转换电路与串行接口连接，串行接口外接通信终端，完成数据发送。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式RTU多协议自动适配器，其特征在于参数配置口采用USB或Console口，与普通PC机或其他用户终端连接，设置应用协议和通信参数；所述的串行接口可以有多个。

3.根据权利要求1所述的嵌入式RTU多协议自动适配器，其特征在于CPU芯片内的FLASH存有用不同的“虚函数”名标识，构成嵌入式协议栈；FLASH中存储的可执行代码按照协议头、包格式数据结构和处理状态机几个部分，以“组件”形式存在，可通过参数进行实例化，即按照设置的参数，快速完成协议组合与加载。