用于串口与以太网间的数据转换方法及其装置与流程

本发明属于微电网的技术领域，尤其是涉及一种用于串口与以太网间的数据转换方法及其装置。

背景技术：

微电网(micro-grid或microgrid)，也称为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。

随着我国电力系统规模的不断增大、全国电网系统互联性的不断增加，以及电力消费多元化等因素影响，我国电力系统面临越来越高的安全和可靠性压力。而微电网是缓解目前电网压力的有效措施，主要是由于微电网具有对大电网削峰填谷的作用，能提升大电网的安全稳定性。微电网还可以有效识别终端用户的用电需求和网内电力供应，通过对电力信息的智能分析，实现电力资源的优化配置，减少浪费。同时网内分布式电源离终端用户非常近，不需要经过长距离高压输送线路，线损低，从而达到提高电力利用效率的目的。

而在微电网等传统的电力监控系统中，数据多采用串口的形式进行传输，这种传输形式只能在有限的距离内使用，一旦远离设备，这种形式的数据传输便无法使用。因此传统监控系统能采集到的数据是有限的数据，很多体现系统运行关键指标的数据，由于数据量大，而串口带宽小，无法远距离发送，导致大量数据无法得到实时监控。尤其是风电机组中的风电变流器由于风电场环境的复杂性、恶劣性，风场中很大一部分变流器只采用具有稳定特点的串口，无法实现数据上网、远程操作等功能，且数据传输速度有限。

技术实现要素：

本发明为解决了现有的技术问题，而提供一种在微电网强电磁干扰的环境里，实现数据双缓冲传输、稳定高率转换的用于串口与以太网间的数据转换方法及其装置。

本发明为解决现有技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本发明的用于串口与以太网间的数据转换方法，具体步骤如下：

当微电网数据通过串口进入数据转换装置，先经过串口进行物理缓存处理，再通过主控器进行数据缓存处理，然后将微电网数据发送至网口，最后从网口传送至远端网络；

当远端网络指令通过网口进入数据转换装置，先通过主控器进行数据缓存处理，再经过串口进行物理缓存处理，然后将远端网络指令通过串口传送至微电网。

所述的串口采用dma通信模块进行物理缓存，在dma通信模块中使用一个多字节的空间作为缓存空间，当dma通信模块接收到微电网数据或远端网络指令，来源数据的字节根据dma通信模块的字节通道选择组合为多字节的半字数据，触发dma通信模块接收多字节数据，完成一次数据转移后，再进行下一次传输。

所述的主控器的数据缓存方法具体如下：

先设计一个缓存区，缓存区接收到经过缓存器处理的微电网数据，缓存区中的输入指针指向下一个位置，判断输入指针是否到达缓存区结尾，若到达缓存区结尾，输入指针重新定位并报错，同时底层的while循环不断使用输出指针从缓存区中读取微电网数据，并根据输入指针和输出指针位置的对比，即(输出指针位置地址-输入指针位置地址)/缓存区大小，判断缓存区的使用率，得到数据流向为微电网数据>串口>数据转换设备>网口>远端网络数据，缓存区的使用率低，缓存区停止使用；

当缓存区接受到远端网络指令，缓存区中的输入指针指向下一个位置，判断输入指针是否到达缓存区结尾，若到达缓存区结尾，输入指针重新定位并报错，同时底层的while循环不断使用输出指针从缓存区中读取远端网络指令，并根据输入指针和输出指针位置的对比，即(输出指针位置地址-输入指针位置地址)/缓存区大小，判断缓存区的使用率，得到数据流向为远端网络数据>网口>数据转换设备>串口>微电网数据，对dma通信模块设置了一个最小时间间隔，当参数设置大于等于最小时间间隔时，远端网络指令从网口转接至串口传送至微电网，当参数设置小于最小时间间隔时，则缓存区使用率上升，缓存区使用率到达100％后，选择将超出缓存去的数据进行重发。

当数据转换装置应用于风电变流器与远端网络间，所述的数据转换方法中，当风电变流器数据传送至主控器时，截取在主控器中的风电变流器数据，送到至主控器内嵌的web服务器中进行处理，然后发送至远程网络的显示模块，实时刷新微电网数据。

所述的主控器内嵌的web服务器，根据风电变流器实际需要传输的数据大小，设置一个动态发送区，将动态发送区前15位字节依次编写代码，再将主控器接收到的风电变流器数据，经过数据高低位转换，计算出实际值，然后将实际值分割成每5位字节一组依次写入到动态发送区的第15位字节之后的位置，

按照如下公式分割实际值：

digit1＝s_data/10000；

digit2＝(s_data％10000)/1000；

digit3＝(s_data％1000)/100；

digit4＝(s_data％100)/10；

digit5＝s_data％10；

其中：

s_data：实际值；

digit1-5：分割成一组的5位实际值的位置；

最后将动态发送区内分割后的实际值成组通过网口发送到远程网络中。

所述的主控器根据实际使用情况，对协议栈的配置参数进行设置以适配使用，具体参数设置如下：

根据100mbps和921600波特率计算得出将以太网的接收和发送缓冲模块数量均设置为40；保活定时器配置则根据以下规则设置：当远端网络断开时，需要在保活时间内循环询问连接状态直至快速分辨远端状态以释放资源重新分配内存空间；

tcp发送窗口大小、tcp发送缓冲区大小、队列中的tcp段数量按以下公式计算：

tcp_mss＝1500-40；(mtu-ip报头大小-tcp报头大小)

tcp_snd_buf＝20*tcp_mss；

tcp_wnd＝15*tcp_mss；

tcp_snd_queuelen＝15*tcp_snd_buf/tcp_mss；

其中：

tcp_snd_buf：tcp发送缓冲区大小；

tcp_snd_queuelen：tcp发送队列长度；

tcp_mss：最大tcp发送分段；

tcp_wnd：tcp发送窗口大小。

一种用于串口与以太网间的数据转换装置，包括串口、网口以及主控器，所述的串口包括dma通信模块、串口数据输入模块与串口数据输出模块，网口包括网口模块，串口数据输入模块与串口数据输出模块分别通过dma通信模块与主控器连接并进行数据交换，网口模块与主控器连接并进行数据交换。

所述的串口数据输入模块包括相互连接的输入串口芯片和输入光纤接口，输入光纤接口的输出端和电阻端通过抗干扰阻抗均与输入串口芯片连接。

所述的串口数据输出模块包括相互连接的输出串口芯片和输出光纤接口，输出光纤接口的阳极通过抗干扰阻抗与输出串口芯片连接。

所述的网口模块包括网络接口与隔离变压器，网络接口的发送数据端通过滤波器连接隔离变压器的发送数据端，并与主控器相连接；网络接口接受数据端通过滤波器连接隔离变压器的接受数据端，并与主控器相连接；网络接口与隔离变压器间还连接有抗干扰阻抗。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明将微电网的串口数据转化为网口数据通过网络发送出去，同时也将远端的数据指令通过网络接收回来。为实时、大数据的远距离传输做准备，具有双缓冲、高效高速度传输、可配置、用户友好的特点，可以满足大数据传输的需求，方便进行大数据分析等功能。还可根据不同变流器配置相应的参数，实现数据的高准确率转换。同时，本发明作为一个通用的串口、以太网转换平台，安装在微电网系统的各个部件，如光伏、储能、风电系统的通信核心位置，增加了应用范围，提高了利用率。

附图说明

图1是本发明数据转换方法的流程图；

图2是本发明数据转换方法物理缓存和数据缓存的流程图；

图3是本发明数据转换装置的结构示意图；

图4是本发明数据转换装置串口数据输入模块的电路图；

图5是本发明数据转换装置串口数据输出模块的电路图；

图6是本发明数据转换装置网口模块的电路图。

其中：→为数据流传输方向。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明的用于串口与以太网间的数据转换方法，具体步骤如下：

当微电网数据通过串口进入数据转换装置，先经过串口进行物理缓存处理，再通过主控器进行数据缓存处理，然后将微电网数据发送至网口，最后从网口传送至远端网络；

当远端网络指令通过网口进入数据转换装置，先通过主控器进行数据缓存处理，再经过串口进行物理缓存处理，然后将远端网络指令通过串口传送至微电网。

所述的串口采用dma通信模块进行物理缓存，在dma通信模块中使用一个16字节的空间作为缓存空间，当dma通信模块接收到微电网数据或远端网络指令，来源数据的字节根据dma通信模块的字节通道选择组合为16字节的半字数据，触发dma通信模块接收16字节数据，完成一次数据转移后，再进行下一次传输。

如图2所示，所述的主控器的数据缓存方法具体如下：

先设计一个10*1024字节的缓存区，缓存区接收到经过缓存器处理的微电网数据，缓存区中的输入指针指向下一个位置，判断输入指针是否到达缓存区结尾，若到达缓存区结尾，输入指针重新定位并报错，同时底层的while循环不断使用输出指针从缓存区中读取微电网数据，并根据输入指针和输出指针位置的对比，即(输出指针位置地址-输入指针位置地址)/缓存区大小，判断缓存区的使用率，得到数据流向为微电网数据>串口>数据转换设备>网口>远端网络数据，缓存区的使用率低，缓存区停止使用；

当缓存区接受到远端网络指令，缓存区中的输入指针指向下一个位置，判断输入指针是否到达缓存区结尾，若到达缓存区结尾，输入指针重新定位并报错，同时底层的while循环不断使用输出指针从缓存区中读取远端网络指令，并根据输入指针和输出指针位置的对比，即(输出指针位置地址-输入指针位置地址)/缓存区大小，判断缓存区的使用率，得到数据流向为远端网络数据>网口>数据转换设备>串口>微电网数据，对dma通信模块设置了一个5毫秒的最小时间间隔，当参数设置大于等于5毫秒时，远端网络指令从网口转接至串口传送至微电网，当参数设置小于5毫秒时，则缓存区使用率上升，缓存区使用率到达100％后，选择将超出缓存去的数据进行重发。

当数据转换装置应用于风电变流器与远端网络间，所述的数据转换方法中，当风电变流器数据传送至主控器时，截取在主控器中的风电变流器数据，送到至主控器内嵌的web服务器中进行处理，然后发送至远程网络的显示模块，实时刷新微电网数据。

所述的主控器内嵌的web服务器，根据风电变流器实际需要传输的数据大小，设置一个276字节的动态发送区，将动态发送区前15位字节依次编写为“0x2f,0x72,0x65,0x73,0x70,0x6f,0x6e,0x73,0x65,0x2e,0x73,0x73,0x69,0x00,0x00”，再将主控器接收到的风电变流器数据，经过数据高低位转换，计算出实际值，然后将实际值分割成每5位字节一组依次写入到动态发送区的第15位字节之后的位置，

按照如下公式分割实际值：

digit1＝s_data/10000；

digit2＝(s_data％10000)/1000；

digit3＝(s_data％1000)/100；

digit4＝(s_data％100)/10；

digit5＝s_data％10；

其中：

s_data：实际值；

digit1-5：分割成一组的5位实际值的位置；

最后将动态发送区内分割后的实际值成组通过网口发送到远程网络中。

所述的主控器根据实际使用情况，对协议栈的配置参数进行设置以适配使用，具体参数设置如下：

根据100mbps和921600波特率计算得出将以太网的接收和发送缓冲模块数量均设置为40；保活定时器配置则根据以下规则设置：当远端网络断开时，需要在保活时间内循环询问连接状态直至快速分辨远端状态以释放资源重新分配内存空间；

tcp发送窗口大小、tcp发送缓冲区大小、队列中的tcp段数量按以下公式计算：

tcp_mss＝1500-40；(mtu-ip报头大小-tcp报头大小)

tcp_snd_buf＝20*tcp_mss；

tcp_wnd＝15*tcp_mss；

tcp_snd_queuelen＝15*tcp_snd_buf/tcp_mss；

其中：

tcp_snd_buf：tcp发送缓冲区大小；

tcp_snd_queuelen：tcp发送队列长度；

tcp_mss：最大tcp发送分段；

tcp_wnd：tcp发送窗口大小。

如图3所示，一种用于串口与以太网间的数据转换装置，包括串口、网口以及主控器，所述的串口包括dma通信模块、串口数据输入模块与串口数据输出模块，网口包括网口模块，串口数据输入模块与串口数据输出模块分别通过dma通信模块与主控器连接并进行数据交换，网口模块与主控器连接并进行数据交换。

如图4所示，所述的串口数据输入模块包括相互连接的输入串口芯片和输入光纤接口，输入光纤接口的输出端和电阻端通过抗干扰阻抗均与输入串口芯片连接。

如图5所示，所述的串口数据输出模块包括相互连接的输出串口芯片和输出光纤接口，输出光纤接口的阳极通过抗干扰阻抗与输出串口芯片连接。

如图6所示，所述的网口模块包括网络接口与隔离变压器，网络接口的发送数据端通过滤波器连接隔离变压器的发送数据端，并与主控器相连接；网络接口接受数据端通过滤波器连接隔离变压器的接受数据端，并与主控器相连接；网络接口与隔离变压器间还连接有抗干扰阻抗。

本发明的数据转换装置支持高速以太网、串口双向数据转换，可以快速将微电网数据转换接入到网络中；可以使用网络远程更新自身程序，实现本装置的远程控制和更新；支持动态修改串口的波特率、网络ip地址、通信端口等信息。本装置可以在微电网强电磁干扰的环境下保持稳定运行。

本装置采用了双缓冲、中断接收的方法，本方法中的缓冲机制可以平衡不同接口间的数据转换，避免缓冲区太小或者接收数据太慢，而导致以太网数据大量丢失，保证资源的完整传输。

本发明应用在微电网的风电变流器中还可使用普通浏览器网页配置设备参数，查看数据。

本发明将微电网的串口数据转化为网口数据通过网络发送出去，同时也将远端的数据指令通过网络接收回来。为实时、大数据的远距离传输做准备，具有双缓冲、高效高速度传输、可配置、用户友好的特点，可以满足大数据传输的需求，方便进行大数据分析等功能。还可根据不同变流器配置相应的参数，实现数据的高准确率转换。同时，本发明作为一个通用的串口、以太网转换平台，安装在微电网系统的各个部件，如光伏、储能、风电系统的通信核心位置，增加了应用范围，提高了利用率。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。