CN116701286B - 一种rs485通信的在线切换系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号传输技术领域，具体涉及一种RS485通信的在线切换系统，包括中央处理模块、电源模块、电压转换模块、通信模块和多条RS485通信通道，每条通信通道均包括RS485通信单元、防护单元和RS485中继器；中央处理模块通过通信模块连接到多个外部主端设备，中央处理模块依次通过RS485中继器、防护单元和RS485通信单元连接到外部从端设备，中央处理模块、RS485中继器和RS485通信单元均通过电压转换模块连接到电源模块；本发明能够根据不同的收发状态切换生成的不同波特率，实现不同波特率串口通信，本发明还能够对通信通道进行选择切换，防止出现当多台主机同时发送信号到通讯总线上，造成的数据出错，无法完成通讯的问题。

Description

一种RS485通信的在线切换系统

技术领域

本发明属于信号传输技术领域，具体涉及一种RS485通信的在线切换系统。

背景技术

在RS485通讯系统中，不止是一台主机连接多台设备进行通讯，所有的通讯调度命令由主机发起，设备端接收命令后地址匹配的设备返回应答报文，系统中只能有1台主机。当系统中有2台及以上主机需要同时连接各设备时，由于多台主机同时发送信号到通讯总线上，会造成数据出错，无法完成通讯。而RS485总线是一种常规的通信总线，其不能够进行总线的自动仲裁，也就是说，为了避免总线竞争，是无法向总线同时发送数据的，因此整个系统的通信效率必然较低，数据冗余量较大，对于速度要求高的应用场所不适应用RS485总线。

为了实现台区智能终端与多个主设备之间的可靠数据通信，通常使用RS485通信接口，但由于目前接入的台区侧终端的设备种类繁多，且对多种下行从端设备的数据抄读多有数据实时性要求，此时一般需设置多个UART接口，但这种做法对UART接口资源占用过多，浪费终端处理器的接口资源。

此外，实际场景中更多存在多个主端设备同时采集某一个下行从端设备的情形，设备厂商、运维厂商、电厂、配电网管控（配电调度系统）等多方对数据都有需求的情况下，多主端对应一从端的通信方式，面临数据传输冲突的问题，影响数据通信可靠性。在此基础上，多个主端设备与多个下行从端设备建立连接，进行的数据交互是更接近实际的大规模分布式设备接入下的协同运行场景。

而随着主、从设备的增加，设备交互存在主端设备采用一种波特率，从端设备采用另一种波特率的情况，或者不同的从端设备采用不同的波特率的问题，通信方式不统一，降低传输效率。

发明内容

针对现有技术中存在当系统中有2台及以上主机需要同时连接各设备时，由于多台主机同时发送信号到通讯总线上，会造成数据出错，无法完成通讯的缺陷，本发明提供一种RS485通信的在线切换系统，以解决上述技术问题。

本发明提供一种RS485通信的在线切换系统，包括：中央处理模块、电源模块、电压转换模块、通信模块和多条RS485通信通道，每条通信通道均包括RS485通信单元、防护单元和RS485中继器；中央处理模块通过通信模块连接到多个外部主端设备，中央处理模块依次通过RS485中继器、防护单元和RS485通信单元连接到外部从端设备，中央处理模块、RS485中继器和RS485通信单元均通过电压转换模块连接到电源模块；

RS485通信单元包括RS485通信A线、RS485通信B线、电阻R1、气体放电管TV1、热敏电阻PTC1、热敏电阻PTC2、瞬态抑制二极管TVS1、瞬态抑制二极管TVS2、瞬态抑制二极管TVS3和双路共模滤波器T1；

气体放电管TV1的第一端通过RS485通信A线连接到外部从端设备的第一端，气体放电管TV1的第二端通过RS485通信B线连接到外部从端设备的第二端，RS485通信A线和RS485通信B线之间连接有电阻R1，气体放电管TV1的第一端通过热敏电阻PTC1连接到瞬态抑制二极管TVS1的第一端，瞬态抑制二极管TVS1的第二端信号接地，气体放电管TV1的第二端通过热敏电阻PTC2连接到瞬态抑制二极管TVS3的第一端，瞬态抑制二极管TVS3的第二端信号接地，瞬态抑制二极管TVS1的第一端还连接到双路共模滤波器T1的第一端，瞬态抑制二极管TVS3的第一端还连接到双路共模滤波器T1的第二端，双路共模滤波器T1的第一端和双路共模滤波器T1的第二端之间连接有瞬态抑制二极管TVS2，双路共模滤波器T1的第三端和第四端均连接到防护单元。

本技术方案的进一步还有，防护单元包括隔离芯片U1、电阻R2、电阻R3、电容C1和光耦器件；

隔离芯片U1的第一引脚通过电阻R2连接到双路共模滤波器T1的第四端，隔离芯片U1的第二引脚也连接到双路共模滤波器T1的第四端，隔离芯片U1的第三引脚连接到双路共模滤波器T1的第三端，隔离芯片U1的第三引脚通过电阻R3信号接地，隔离芯片U1的第四引脚信号接地，电容C1的第一端信号接地，电容C1的第二端电源接地，隔离芯片U1的第五引脚、第六引脚、第七引脚和第八引脚均通过光耦器件连接到RS485中继器。

本技术方案的进一步还有，隔离芯片U1采用型号为TDH541S485H的隔离芯片。

本技术方案的进一步还有，RS485中继器还连接有调试单元，调试单元包括第一拨码开关和第二拨码开关，第一拨码开关和第二拨码开关均连接到RS485中继器，第一拨码开关用于对外部主端设备的波特率进行设置，第二拨码开关外部从端设备的波特率进行设置。

本技术方案的进一步还有，电压转换模块包括3.3V电压转换单元和5V电压转换单元，中央处理模块和RS485中继器均通过3.3V电压转换单元连接到电源模块，RS485通信单元通过5V电压转换单元连接到电源模块。

本技术方案的进一步还有，通信模块包括4G通信单元、LORA通信单元和HPLC通信单元。

本发明的有益效果在于，本发明用于多种配电侧终端（主端）与各类下行设备的（从端）数据采集、信息交互，以满足新型电力系统、智慧配电网建设的需求；且在通信过程中能够进行波特率的转换，根据不同的收发状态切换生成的不同波特率，实现不同波特率串口通信；当主端具备4G、LORA等无线通信或电力载波的有线通信传输条件时，同样可以通过中央处理模块转换实现RS485通信；最后，本发明还能够对通信通道进行选择切换，防止出现当多台主机同时发送信号到通讯总线上，造成的数据出错，无法完成通讯的问题。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的系统的示意性框图。

图2是RS485通信单元和防护单元的电路原理图。

图3是RS485中继器的连接原理图。

110为中央处理模块，120为电源模块，130为电压转换模块，140为通信模块，151为RS485通信单元，152为防护单元，153为RS485中继器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面对本发明中出现的关键术语进行解释。

MCU，Microcontroller Unit，微控制单元，又称单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer)或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit，CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器，汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

FPGA，Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

LORA，全称是Long Range，既远距离的意思，是一种物理层的无线数字通信调制技术，也称扩频连续调频调制技术（Chirp Modulation）。特点是在相同的功耗下比其它无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，在同样的功耗下比传统的无线通信射频通信距离扩大3-5倍。

HPLC是高速电力线载波，也称为宽带电力线载波，是在低压电力线上进行数据传输的宽带电力线载波技术。宽带电力线载波通信网络则是以电力线作为通信媒介，实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络。宽带电力线载波主要采用了正交频分复用（OFDM）技术，频段使用2MHz-12MHz。与传统的低速窄带电力线载波技术而言，HPLC技术具有带宽大、传输速率高，可以满足低压电力线载波通信更高的需求。

本实施例中，所述RS485通信的在线切换系统根据其所执行的功能，可以被划分为多个功能模块，如图1所示。所述功能模块可以包括：中央处理模块110、电源模块120、电压转换模块130、通信模块140和多条RS485通信通道，每条通信通道均包括RS485通信单元151、防护单元152和RS485中继器153。在本实施例中，关于各模块的功能将在后续的实施例中详述。

外部主端设备包括台区智能融合终端、智能配电终端、配电调度系统等多种公变台区采集设备和系统，对应采集的n个下行设备作为RS485通信的外部从端设备可以是光伏逆变器、充电桩等多种分布式新能源。主端、从端原有通信方式可包4G、LORA、微功率无线等无线方式和电力线载波等有线方式。为保障系统的灵活性、可扩展性和快速迭代性能，整个系统包括中央处理模块110、电源模块120、电压转换模块130、通信模块140和多条RS485通信通道，每条通信通道均包括RS485通信单元151、防护单元152和RS485中继器153；具体地，中央处理模块通过通信模块连接到多个外部主端设备，中央处理模块依次通过RS485中继器、防护单元和RS485通信单元连接到外部从端设备，中央处理模块、RS485中继器和RS485通信单元均通过电压转换模块连接到电源模块。其中，通信模块包括4G通信单元、LORA通信单元和HPLC通信单元。

其中，电源模块的一端接入220V外部电源，电源模块的一端通过电压转换模块连接到各个功能模块为其供电；其中，电压转换模块包括3.3V电压转换单元和5V电压转换单元，中央处理模块和RS485中继器均通过3.3V电压转换单元连接到电源模块，RS485通信单元通过5V电压转换单元连接到电源模块。

如图2所示，RS485通信单元包括RS485通信A线、RS485通信B线、电阻R1、气体放电管TV1、热敏电阻PTC1、热敏电阻PTC2、瞬态抑制二极管TVS1、瞬态抑制二极管TVS2、瞬态抑制二极管TVS3和双路共模滤波器T1；气体放电管TV1的第一端通过RS485通信A线连接到外部从端设备的第一端，气体放电管TV1的第二端通过RS485通信B线连接到外部从端设备的第二端，RS485通信A线和RS485通信B线之间连接有电阻R1，气体放电管TV1的第一端通过热敏电阻PTC1连接到瞬态抑制二极管TVS1的第一端，瞬态抑制二极管TVS1的第二端信号接地，气体放电管TV1的第二端通过热敏电阻PTC2连接到瞬态抑制二极管TVS3的第一端，瞬态抑制二极管TVS3的第二端信号接地，瞬态抑制二极管TVS1的第一端还连接到双路共模滤波器T1的第一端，瞬态抑制二极管TVS3的第一端还连接到双路共模滤波器T1的第二端，双路共模滤波器T1的第一端和双路共模滤波器T1的第二端之间连接有瞬态抑制二极管TVS2，双路共模滤波器T1的第三端和第四端均连接到防护单元。

如图3所示，RS485通信时，信号不能直接进入中央处理模块，需要经过防护单元，之后再进入中央处理模块，具体地，防护单元包括隔离芯片U1、电阻R2、电阻R3、电容C1和光耦器件；隔离芯片U1的第一引脚通过电阻R2连接到双路共模滤波器T1的第四端，隔离芯片U1的第二引脚也连接到双路共模滤波器T1的第四端，隔离芯片U1的第三引脚连接到双路共模滤波器T1的第三端，隔离芯片U1的第三引脚通过电阻R3信号接地，隔离芯片U1的第四引脚信号接地，电容C1的第一端信号接地，电容C1的第二端电源接地，隔离芯片U1的第五引脚、第六引脚、第七引脚和第八引脚均通过光耦器件连接到RS485中继器；其中，隔离芯片U1采用型号为TDH541S485H的隔离芯片。

另外，RS485中继器还连接有调试单元，调试单元包括第一拨码开关和第二拨码开关，第一拨码开关和第二拨码开关均连接到RS485中继器，第一拨码开关用于对外部主端设备的波特率进行设置，第二拨码开关外部从端设备的波特率进行设置。

外部从端设备通过两线制的RS485（RS485通信A线、RS485通信B线）实现数据通信（RS485_A和RS485_B），首先经过气体放电管TV1做第一级雷击浪涌保护、经过热敏电阻PTC1和热敏电阻PTC2做线路过流保护、经过并联的双向瞬态抑制二极管TVS2抑制过电压，之后通过双路共模滤波器T1 对输入的485信号做进一步的共模噪声抑制，并选择DFN封装的RS485隔离芯片U1对最终传入中央处理模块的RS485总线上的信号做物理隔离。在隔离地GND（电源地）和信号地GND_O1间的电容C1起到滤除高频信号干扰的作用。其中，RS485中继器起到主端、从端波特率转换的作用，通常在安装现场会通过调试口预置主、从端通信串口波特率，但是在通过RS485采集不同下行从端设备数据时波特率可能不同，需要进行现场调试，当软件调试不方便时可通过两个拨码开关分别完成主端从端的波特率设置。RS485通信单元的输出信号经过光耦隔离之后进入RS485中继器的MCU做波特率转换，之后将信号转发给中央处理模块。同时，由于通信过程中通常由主端向从端发起信息采集请求，在中央处理模块向RS485中继器的MCU发送数据过程中，中继器的MCU可以自动识别主端波特率并存储。

另外，可以使用FPGA可编程逻辑器件替代中央处理模块和两个拨码开关，通过硬件逻辑实现。FPGA设计主要包括发送模块、接收模块和接口模块，发送模块用于数据缓存、485异步通信的并串转换，接收模块主要用于数据串并转换，数据帧标志位识别和数据缓存，接口模块主要完成与终端MCU和发送模块、接收模块的数据通信。

主端对应台区智能融合终端本体，从端对应台区智能融合终端采集的下行设备；假设共有n路设备同时对下行设备做采集数据通信，即采用多主一从的通信模式。

该系统的工作原理为：先控制外部主端设备向目标外部从端设备发送信息采集请求帧；之后判断目标外部从端设备对应的所有通信通道是否空闲；若是，则判断发送信息采集请求帧的外部主端设备上的串口状态；若发送信息采集请求帧的外部主端设备上串口中的Ready标志位和Lock标志位均为0，则将其他外部主端设备上的Lock标志位置为1，形成互锁；且目标外部从端设备能够通过Ready标志位和Lock标志位均为0的通信通道接收来自外部主端设备的数据，并通过该通信通道向外部主端设备发送数据，等待下次接收；若否，则确定所占用通信通道，并控制所占用通道对应的外部主端设备向外部从端设备发送数据，并等待下次接收。

另外，在判定发送信息采集请求帧的外部主端设备上串口中的Ready标志位和Lock标志位均为0的同时，将发送信息采集请求帧的外部主端设备上的串口状态置为NOTREADY状态，并在串口状态设置完成后，进行直接存储器访问空闲通道中断，之后对帧数据是否完成进行判断；在判定帧数据发送完成后，将其他外部主端设备上的Lock标志位置为0。

为了便于对本发明的理解，下面以该系统的工作原理，对本发明提供的RS485通信的在线切换系统的工作方法做进一步的描述。

首先进行系统初始化，对系统时钟、系统中断、串口等接口做初始化配置；之后主端会向从端发送信息采集请求的帧数据，接着判断当前串口通道是否空闲（串口中设置“占用通道标志”，当标志位为0则表示串口空闲），由于485通信是半双工的方式，收发不能同时进行，当占用通道为0时，表示下行从端设备485处于可接收的状态，从端空闲监听通道，当接收数据完成后会进入发送状态做回复，接着，当占用通道值不再为0时，根据从端串口所占用通道做置位（1、2、3...、n），485通道则处于主端485状态，此时主端485处于可发送的状态，主端发送完成后会进入接收状态。

进一步，当判断占用通道值为0时，进入从端485模式。继续判断每一路的主端串口状态是否为“Ready”以及“Lock”标志位是否为0，当发现某一路串口为此状态时，表示此路串口接收到主端数据并且有数据需要返回给主端。此时，选中该路串口，首先需要将其他路串口的Lock位置为1形成互锁，确保其他路不会在同一时刻进行数据传输；之后发送数据，并等待接收，在接收的同时将当前串口状态置为“NOTREADY”，保证不会在一次收发完成前在此进入到该段进程内；完成串口状态置后，进入DMA空闲中断，再进行帧数据发送完成的判定，免去数据打包和多次判断的资源。在从端485接收过程中，首先会对所接收到的数据进行判断，再进行回复。从端设备如果使用Modbus协议用于通信，会有固定的帧长、帧头、帧尾和CRC校验参数模型选择，通过对接收数据进行判断，可以确定从端所收到的数据是否是Modbus协议数据，若不是则以透传形式直接转发给从端。当从端485发送后，主端会根据主端串口号来判断占用通道的值（1~n），在确定所占用通道后进行数据接收和发送，完成台区终端与某个下行设备的数据交互采集。同时将当前串口状态置为“NOTREADY”，保证不会在一次收发完成前在此进入到该段进程内，再进入DMA空闲中断判断帧数据发送完成，之后将其他串口“Lock”标志位置0，解除与某路串口通信的锁定，再将占用通道值设为0，表示数据收发已完成，此时又会进入串口发送的监听状态。若占用通道值不为1~n的任意值，表示无串口发送数据、通道未被占用，主端持续处于数据接收的监听状态，同时占用通道值会设为0，等待串口发送数据。本发明能够实现网络串口中透传和Modbus协议的自适应转换，以满足设备热插拔需求，Modbus模式下具备报文解析、CRC校验及解帧失败重发机制。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种RS485通信的在线切换系统，其特征在于，包括：中央处理模块、电源模块、电压转换模块、通信模块和多条RS485通信通道，每条通信通道均包括RS485通信单元、防护单元和RS485中继器；中央处理模块通过通信模块连接到多个外部主端设备，中央处理模块依次通过RS485中继器、防护单元和RS485通信单元连接到外部从端设备，中央处理模块、RS485中继器和RS485通信单元均通过电压转换模块连接到电源模块；

RS485通信单元包括RS485通信A线、RS485通信B线、电阻R1、气体放电管TV1、热敏电阻PTC1、热敏电阻PTC2、瞬态抑制二极管TVS1、瞬态抑制二极管TVS2、瞬态抑制二极管TVS3和双路共模滤波器T1；

气体放电管TV1的第一端通过RS485通信A线连接到外部从端设备的第一端，气体放电管TV1的第二端通过RS485通信B线连接到外部从端设备的第二端，RS485通信A线和RS485通信B线之间连接有电阻R1，气体放电管TV1的第一端通过热敏电阻PTC1连接到瞬态抑制二极管TVS1的第一端，瞬态抑制二极管TVS1的第二端信号接地，气体放电管TV1的第二端通过热敏电阻PTC2连接到瞬态抑制二极管TVS3的第一端，瞬态抑制二极管TVS3的第二端信号接地，瞬态抑制二极管TVS1的第一端还连接到双路共模滤波器T1的第一端，瞬态抑制二极管TVS3的第一端还连接到双路共模滤波器T1的第二端，双路共模滤波器T1的第一端和双路共模滤波器T1的第二端之间连接有瞬态抑制二极管TVS2，双路共模滤波器T1的第三端和第四端均连接到防护单元；

RS485中继器还连接有调试单元，调试单元包括第一拨码开关和第二拨码开关，第一拨码开关和第二拨码开关均连接到RS485中继器，第一拨码开关用于对外部主端设备的波特率进行设置，第二拨码开关外部从端设备的波特率进行设置。

2.根据权利要求1所述的RS485通信的在线切换系统，其特征在于，防护单元包括隔离芯片U1、电阻R2、电阻R3、电容C1和光耦器件；

隔离芯片U1的第一引脚通过电阻R2连接到双路共模滤波器T1的第四端，隔离芯片U1的第二引脚也连接到双路共模滤波器T1的第四端，隔离芯片U1的第三引脚连接到双路共模滤波器T1的第三端，隔离芯片U1的第三引脚通过电阻R3信号接地，隔离芯片U1的第四引脚信号接地，电容C1的第一端信号接地，电容C1的第二端电源接地，隔离芯片U1的第五引脚、第六引脚、第七引脚和第八引脚均通过光耦器件连接到RS485中继器。

3.根据权利要求2所述的RS485通信的在线切换系统，其特征在于，隔离芯片U1采用型号为TDH541S485H的隔离芯片。

4.根据权利要求1所述的RS485通信的在线切换系统，其特征在于，电压转换模块包括3.3V电压转换单元和5V电压转换单元，中央处理模块和RS485中继器均通过3.3V电压转换单元连接到电源模块，RS485通信单元通过5V电压转换单元连接到电源模块。

5.根据权利要求1所述的RS485通信的在线切换系统，其特征在于，通信模块包括4G通信单元、LORA通信单元和HPLC通信单元。