太阳能发电系统数据采集与传输的硬件设计

0 引言
    ARM(Advanced RISC Machines)是对一类微处理器的通称。ARM是微处理器行业的一家知名企业，它设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处理器，该处理器广泛应用于嵌入式系统中。ARM 9代表了ARM公司主流的处理器，已经在手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。在此，以ST公司生产的ARM 9系列中典型的STR912FW44X6芯片作为硬件开发平台的MCU，完成了基于ARM的太阳能发电系统中数据采集与传输系统的硬件设计，并提出了一种利用RS 485串口代替RS 232串121来进行通信的新方法。

l 硬件总体设计框架
    硬件总体设计框架如图1所示。

2 硬件介绍
    现以STR912FW44X6芯片作为硬件开发平台的MCU，STR912FW44X6外扩张了点阵LCD显示屏、输入按键、UART接口、IrDA、CAN、USB、ETM接口、音频放大器／话筒放大器和以太网接口。其中，本文使用的有UART接口和以太网接口。UART接口分为一个RS 232串口和两个RS 485串口。RS 232串口用来与GSM模块的RS 232串口相连，以实现GPRS的无线传输；两个RS 485串口，一个用来作MODBUS通信接口，另一个用来接电度表计，以采集统计并显示太阳能发电系统的发电量。以太网通过网线连接到网络，以实现数据的无线传输。

3 硬件电路设计和功能实现
3．1 RS 232串口的电路设计和功能实现
    RS 232是一种串行数据接口标准，是目前最常用的串行接口标准，用于计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据传输。RS 232串行接口总线适用于设备之间通信距离不大于15 m，传输速率最大为20 KB／s。
    RS 232串口是通过ST公司生产的ST3232EAR来实现的。ST3232EAR是一种把电脑的串行口RS 232信号电平(-lO V，+10 V)转换为单片机所用到的TTL信号电平(O V，+3．3 V)的芯片。它的内部结构由三部分组成：第一部分是电荷泵电路，由1～6脚和4只电容构成。其功能是产生+12 V和-12 V两个电源，为RS 232串口提供电平的需要。第二部分是数据转换通道，由7～14脚构成2个数据通道。其中，13脚(RlIN)、12脚(R1OUT)、11脚(TlIN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道；8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL／CMOS数据从TlIN，T2IN输入转换成RS 232数据，从T1OUT，T20UT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS 232数据从RlIN，R2IN输入转换成TTL／CMOS数据后，从R1OUT，R2OUT输出。第三部分是供电，由15脚GND、16脚VCC(+5 V)构成。
    通过将MCU中GPIO的RXD和TXD分别与ST3232的12脚(R1OUT)和11脚(T1IN)相连，使14脚(T10UT)和13脚(R1IN)输出RS 232电平，然后连接GSM模块RS 232串口和MCU板上的RS 232串口，可以通过向RS 232接口写AT指令来达到控制GSM模块功能的目的，以通过GPRS实现数据的传输。
3．2 RS 485串口的电路设计和功能实现
    RS 485是用来采集太阳能发电系统数据的，这里之所以采用RS 485而不采用RS 232，是因为RS 485比RS 232具有很多优势。RS 232采取不平衡传输方式，即单端通信，其收发端的数据信号都是相对于地信号的。所以它的共模抑制能力差，再加上双绞线的分布电容，其传输距离最大约为15 m，最高速率为20 KB／s，且其只能支持点对点通信。而RS 485采用平衡发送和差分接受方式实现通信，由于传输线通常使用双绞线，有时差分传输，所以有极强的抗共模干扰能力，总线收发器的灵敏度很高，可以检测到低至200 mV的电压，故其传输信号在千米以上是可以恢复的。RS 485的最大通信距离约为1 219 m，最大传输速率为10 MB／s，它采用双半工工作方式，可支持多点数据通信，其总线一般最大支持32个节点。
    RS 485接口芯片采用的是ADM3485。ADM3485采用单一电源+3．3 V工作，半双工通信方式，可完成将TTL电平转换为RS 485电平的功能。  ADM34185芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和一个接收器，RO和DI端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可。RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为ADM3485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时。代表发送的数据为O。在与单片机连接时接线非常简单，只需要一个信号控制ADM3485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100 Ω的电阻。该设计有两个RS 485，其中一个用来作MODBUS通信接口，另一个用来接电度表，以采集统计并显示太阳能发电系统的发电量。
3．3 以太网的电路设计和功能实现
    以太网网口采用的是0880-1X1T-01，以太网物理层接口芯片采用的是ST公司的STElOOP快速以太网物理层芯片。STEl00P以太网接口芯片提供了一组媒体独立接口(MII)。媒体独立指的是在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。MII接口是快速以太网MAC层与PHY层之间的标准接口，是IEEE 802．3定义的以太网行业的标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。
    通过管理接口，上层监视和控制PHY。基于以太网的TCP／IP通信，使ARM可以通过网线进行联网，并可以实时地与计算机进行通信，用来传输太阳能发电系统的实时数据。

4 结语
    提出一种利用RS 485串口代替RS 232串口进行通信的新方法。这种方法解决了RS 232串口在传输距离和节点数量的限制，大大提高了数据传输的能力。