基于NUC972的多總線數據采集控制器設計

黃 飛

（南京國鐵電氣有限責任公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

近幾年，國家發展改革委員會和國家節能中心非常重視能耗在線監測工作，并先后組織了一些能耗在線監測試點項目的驗收和總結會，推廣能耗在線監測在交通行業、建筑行業等重點用能單位的實施應用，促進社會節能減排工作的推廣。目前，智能建筑的能耗監測與管理存在三個主要問題：缺乏建筑大規模聯網監測；缺乏建筑能耗的大數據統計和分析；缺少與智能電網輸電、配電側的聯動[1]。

在這樣市場背景下，研究開發一款穩定可靠、使用靈活、功能強大的數據采集控制器，兼容接入樓宇自動控制系統中的變配電、照明、電梯、空調、供熱、給排水、消防、安防等眾多分散設備，監控其運行、安全狀況以及能源使用狀況等顯得十分必要。

1 總體設計

市場已經有一些數據采集控制器或者叫通信管理機，比如“基于ARM的通信管理機的研發與設計”[2]、“基于ARM的智能配電房通信管理機設計”[3]、“許繼WTX-803通信管理機升級改造技術研究”[4]等技術方案。這些方案設計專注于管理機本身協議轉換功能，缺乏中樞控制功能。本文介紹的技術方案相比集成度更高，功能更豐富，除了兼容多種接口和協議，還能實現一定模型的數據計算控制功能。數據采集控制器的系統應用架構如圖1所示。數據采集控制器對下通過Modbus、DLT-645、BACNet/IP、IEC-104、IEC-103等協議，與智能傳感器或各種現有數據采集系統對接，得到水、電、氣、熱、溫濕度、光照度等信息，并通過存儲在數據采集控制器中的控制策略控制相應的可執行設備；對上通過用戶配置的一種或者多種協議將數據上傳到中心監控平臺，同時接收中心監控平臺發回來的遙控和遙調指令。

圖1 數據采集控制器應用系統架構圖

2 硬件設計

數據采集控制器電路主要包括電源模塊、 MCU模塊、 Flash存儲模塊、以太網接口模塊、LTE-Cat1無線通訊模塊、 M-Bus接口模塊、 RS-485接口模塊、 RS-232接口模塊、 CAN總線接口模塊、DI/DO接口模塊以及 LED燈顯示模塊。

圖2 硬件設計總體框圖

2.1 MCU模塊

MCU模塊采用NUC972DF62Y芯片。該芯片是新唐科技（Nuvoton）針對電力及其他工控領域推出的工業級ARM9處理器，主頻最高至 300 MHz。與其他ARM9內核芯片相比，該芯片最大的特色是內部集成了高達 64 M的DDR2內存，并具有 11組UART接口、兩路以太網接口。豐富的片內資源極大簡化了外圍電路設計，并提供了軟件編程的靈活性。

2.2 以太網接口模塊

由于系統應用可能涉及到接入多個設備、多種協議、多方主站以及主備雙網應用等，因此設計了6個網口。NUC972內部集成兩路以太網 MAC控制器，需要通過EBI總線拓展另外四路以太網接口。對于集成的MAC接口，外圍電路只需擴展一個LAN8720AI PHY芯片。對于拓展的以太網接口，采用DM9000芯片，該芯片集成了MAC控制器和10/100M自適應的 PHY。

2.3 串行接口模塊

NUC972集成了11組UART，用其中 8組結合 GPIO形成8路RS-485接口電路。RS-485驅動芯片采用自帶隔離的 ISO3082芯片，支持4000V尖峰隔離，總線節點可達 256個，通信速率最高可達20 Mb/s。

RS-232接口采用 MCU剩余的 UART接口，通過MAX232A接口芯片完成。電源隔離采用 F0505S模塊，信號隔離采用 AduM1201芯片。

CAN總線接口采用 SN65HVD232芯片，支持 1 Mb/s的通信速率。 CAN接口默認用于主備機之間的心跳控制。

2.4 M-Bus接口模塊

M-BUS具有成本低、布線簡便、抗干擾能力強等優點，常用于水表和氣表。 M-Bus總線接口需要 +24 V和+36 V電源，其中 +36 V電源通過開關升壓芯片 LM2577從+24 V電源獲取。 M-BUS主機通過電壓調制的方式向從機發送數據。 UART的TXD信號通過光耦 6N137控制P-MOS管的通斷來控制 M-Bus的輸出在 +36 V和+24 V之間切換。從機通過調制總線電流的方式向主機返回數據。接收電路解調電流信號是通過在總線上采集電流并轉換成電壓，電壓信號經跟隨器后分別通過相應的阻容延時電路和二極管電路，接到比較器 LM393的正負極完成數據的解調。

2.5 無線通信接口模塊

無線通信接口模塊采用 EC02-SNC模塊。該模塊集成了 FDD-LTE/TDD-LTE/GSM/GPRS/ EDGE等多種網絡制式，內置 TCP、UDP、PAP、 PPP、CHAP等網絡協議，還支持 GPS定位功能。 MCU模塊通過串口 UART信號（ TXD、RXD、 CTS、RTS）與無線通信模塊進行命令和數據交互。無線通信模塊的串口型號是 1.8 V電平的，UART信號通過 TXB0104芯片進行電平轉換。

2.6 輸入輸出接口模塊

DI接口模塊由四組電阻降壓電路、穩壓電路、光耦電路組成，形成一個 9-30 V電壓輸入為“ 1”，0-5 V電壓輸入為“ 0”的輸入電壓識別電路。 DO接口模塊有四組光耦電路、達林頓驅動電路、繼電器組成，輸出節點容量為 10A250AC，10A30VDC。輸入輸出模塊常用于現場一些輔助設備信號的邏輯監控，比如多告警信號與輸出，遙測越限告警輸出等。

3 軟件設計

軟件設計由配置模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊，數據轉發模塊，特別邏輯處理模塊五部分組成。軟件采用基于 POSIX標準的自主研發的 Micro eX操作系統平臺，開發語言為 C/C++并用以提高開發和運行效率。

3.1 配置模塊軟件設計

系統配置主要分為網口配置、串口配置、服務配置、數據采集配置、數據轉發配置、數據存儲配置、特別邏輯處理配置。配置采用 JSON文件格式，由專為其開發的配置工具軟件生成。系統開機讀取配置文件，并檢查配置文件的 CRC校驗碼。為防止 Flash長期讀寫可能造成位反轉，增加了另外三個備份的處理。如果其中某個備份的配置文件或者校驗碼文件匹配失效，系統軟件自動尋找其他有效備份，任一份加載成功后自動修復失效的備份。完成備份文件檢查后，根據加載的用戶配置分別初始化網口和串口，啟動系統服務、采集服務、數據轉發服務和特別處理服務。

3.2 數據采集模塊

系統軟件將每一種數據采集協議抽象成一種采集服務對象，當對象和采集對應的端口綁定后就可以創建一個采集服務對象實例，對其服務初始化，然后開始采集。當收到采集數據時，按照數據采集配置中的數據解析模型對采集數據進行相應處理，處理后的數據轉移給數據存儲模塊。每個數據項都具有一個惟一的標識 ID，數據儲存模塊會觸發數據采集更新事件，通知其他模塊更新處理。數據采集服務同時也接受數據更新事件，從而實現對采集設備的遙控和遙調。

3.3 數據轉發模塊

系統軟件同樣將每一個數據轉發協議抽象成一種對象，與其服務對應的端口綁定，形成一個對象實例。初始化成功后的數據轉發服務會根據不同協議的不同需要主動循環上報，或者越步長上報，或者等待主站召喚上報。當數據轉發服務收到主站的遙控和遙調命令后，調用數據存儲模塊，觸發數據更新事件，通知相應的模塊處理。

3.4 特別邏輯處理模塊

特別邏輯處理模塊是應對特殊應用場景而生，系統將一組輸入數據項和輸出數據項按照特定的模型建模，這種模型可以是時序控制模型、組合邏輯控制模型、數學控制模型以及用戶自定義的模型。

4 實際應用案例

上海局某鐵路站房對高低壓配電所進行改造升級，為了管理便捷，站房又上了一套智慧運維管理平臺，系統結構如圖 3所示。一個高壓所和兩個低壓所的電力監控數據上傳到本站房的電力綜合監控系統，同時遠傳給調度中心。配電所的電力數據、電梯扶梯的運行狀態、消防系統涉及的排水坑水位和排水泵的工作狀態既上傳給站房監控系統，也上傳給智慧管理平臺。數據采集控制器對下通過 DLT-645、Modbus-RTU、Modbus-TCP、IEC104、IEC103等協議與各種設備交互，對上通過IEC104與HTTP協議與主站交互。經過三個多月的實際運行，整個系統穩定可靠。

圖3 實際應用案例系統結構圖

5 結束語

本文介紹一款具有中樞控制功能的數據采集控制器設計。該設計充分利用NUC972片內豐富的外設資源和大容量RAM，簡化了外圍電路設計，已成功應用于樓宇自控系統和高低壓配電所的綜合自動化系統中。通過現場應用總結、改善和配置工具的改進，大大提高配置的可重復利用性，工程實施人員能方便、高效地實現現場數據采集和轉發的配置，從而降低現場聯調聯試的難度，節省調試時間。下一步考慮在這個架構的基礎上，增加MQTTServer的部署，完善特殊處理模塊的抽象實現，從而搭建一個以數據采集控制器為中心的高速分布式實時控制網絡。