CN111371670A - 一种基于工控机与vpn衔接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及远程控制技术领域，尤其涉及一种基于工控机与VPN衔接装置，包括：MCU处理器、485通讯模块、无线通讯模块、DC/DC电源转换模块、USB转串口、数据隔离模块、SIM卡模块、上位机、服务器;其中MCU处理器通过485通讯模块与工控主机相连接，通过串口与数据通讯隔离模块相连，数据通讯隔离模块与无线通讯模块相连接，通过DC/DC电源模块与外部电源相连接，通过USB串口与上位机相连接。本发明通过使用无线通讯模块与服务器或者两地之间进行数据交互，通过工业485通讯协议与工控机连接，配合上位机程序对设备配置和读取配置，使工业工控设备数据远距离传输、控制更快捷、方便、安全。

Description

一种基于工控机与VPN衔接装置

技术领域

本发明涉及远程控制技术领域，尤其涉及一种基于工控机与VPN衔接装置。

背景技术

目前，随着大数据、物联网、信息化的快速发展，在饮水工程、水利工程、化工等自动化行业，需要把现场数据实时传送到控制台WEB或者移动设备，现有技术中多采用VPN专用网络实现该功能。

VPN即虚拟专用网络，其属于远程访问技术，其主要功能为在内网中架设VPN服务器，VPN服务器与内网之间通过加密数据进行通讯，VPN服务器可通过互联网连接，当外地员工在当地连接上互联网后，即可通过互联网连接VPN服务器，通过VPN服务器进入企业内网，从而实现了远程访问与控制。

然而上述远程访问的方式却存在铺设成本高、维护成本高的问题，由于创建和部署VPN线路需要高水平地理解网络和安全问题，需要认真规划和配置，所以需要专业工作人员进行铺设和，而且在施工现场，也存在线路容易被破坏的情形，维护成本较高。

鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种基于工控机与VPN衔接装置，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于工控机与VPN衔接装置，降低VPN专用网络的铺设与维护成本。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于工控机与VPN衔接装置，包括：工控机、485模块、MCU、上位机、服务器、无线模块和外部电源；

所述工控机通过所述485模块与所述MCU连接，所述上位机与所述MCU连接，所述服务器与所述无线模块通讯连接，所述无线模块与所述MCU连接，从而实现数据的交互；所述外部电源分别与所述MCU、无线模块连接，用于供电。

优选地，该装置还包括SIM模块，所述SIM模块与所述无线模块连接。

优选地，所述MCU连接有晶振，所述晶振为起振晶振，所述晶振为所述MCU提供工作所需的基础时钟频率，通过锁相环PLL倍频配置达到所述MCU实际工作的时钟频率。

优选地，所述MCU还连接有工作LED指示灯和服务器连接LED指示灯，当设备上电运行时，所述工作LED指示灯以一段时间间隔闪烁显示，设备为正常运行状态；当设备成功连接上服务器之后，所述服务器连接LED指示灯点亮，即设备连接服务器成功，当设备离线时，所述服务器连接LED指示灯熄灭。

优选地，该装置还包括USB转串口模块，所述USB转串口模块一端与所述MCU连接，另一端与所述上位机连接。

优选地，所述上位机与所述USB转串口模块之间连接有LDO，所述LDO用于电压的转换。

优选地，该装置还包括数据通讯隔离和串口，所述MCU通过所述串口与所述数据通讯隔离相连接，所述数据通讯隔离与所述无线模块相连接。

优选地，所述SIM模块支持移动、联通、电信卡。

优选地，所述外部电源支持9V至24V电压，并通过DC/DC模块分别与所述MCU、无线模块连接。

本发明的有益效果为：本发明通过使用无线通讯模块进行两地间的数据交换，降低了现有技术中使用VPN专用网络铺设与维护成本，通过上位机灵活配置使用数据地址信息；工程人员使用过程中灵活、安全、高效，通过使用无线三网4G满足不同山区信号的不同选择，对现场与远程之间的数据交互产生了极大地便利性、稳定性、安全性。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例中基于工控机与VPN衔接装置的***结构功能框图；

图2为本发明实施例中基于工控机与VPN衔接装置的电路结构原理框图；

图3为本发明实施例中LDO（3.3V）电源转换的原理图；

图4为本发明实施例中DC/DC（3.3V）电源转换的原理图；

图5为本发明实施例中DC/DC（3.8V）电源转换的原理图；

图6为本发明实施例中工作LED指示灯的原理图；

图7为本发明实施例中服务器连接LED指示灯的原理图；

图8为本发明实施例中485工业通讯模块的原理图；

图9为本发明实施例中USB转串口模块的原理图；

图10为本发明实施例中晶振的原理图；

图11为本发明实施例中数据通讯隔离模块的原理图；

图12为本发明实施例中SIM卡的原理图；

图13为本发明实施例中无线通讯模块的原理图；

图14为本发明实施例中MCU的原理图。

附图标记：1-工控机、2-485模块、3-晶振、4-工作LED指示灯、5- MCU、6-服务器连接LED指示灯、7 -LDO、8-USB转串口模块、9-上位机、10-服务器、11-无线模块、12-数据通讯隔离、13-SIM模块、14-串口、17-外部电源。

具体实施方式

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。

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

DC/DC ：指直流转直流电源。DC/DC 变换是将原直流电通过调整其PWM（占空比）来控制输出的有效电压的大小。

LDO：（Low Dropout Regulator），意为低压差线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。

TVS ：（Transient Voltage Supressor），意为瞬态电压抑制器。TVS 管是一种二极管形式的高效能保护器件。

API ：（Application Programming Interface），意为应用程序编程接口。API 是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节。

TCP:（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。

4G：（the 4th Generation mobile communication technology），***移动电话行动通信标准，指的是***移动通信技术，外语缩写：4G。

GPS：（Global Positioning System），GPS 是英文Global Positioning System（全球定位***）的简称，而其中文简称为“球位系”。

USART:(UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter)，USART是一个全双工通用同步/异步串行收发模块，该接口是一个高度灵活的串行通信设备。

ARM:(Advanced RISC Machine)，ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位***的所有优势。

LED:(Light Emitting Diode)，LED全称为发光二极管，是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，可高效地将电能转化为光能。

USB:(Universal Serial Bus)，USB全称为通用串行总线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。

如图1至图2所示的基于工控机与VPN衔接装置，包括：工控机1、485模块2、MCU5、上位机9、服务器10、无线模块11和外部电源17；

工控机1通过485模块2与MCU5连接，上位机9与MCU5连接，服务器10与无线模块11通讯连接，无线模块11与MCU5连接，从而实现数据的交互；外部电源17分别与MCU5、无线模块11连接，用于供电。

工控机1通过485模块2与MCU5相连接，工控机1与MCU5采用目前工业上主流的通讯协议MODBUS协议，使其适用范围更广泛、更稳定、更便捷；在上述实施例中，通过使用无线通讯模块进行两地间的数据交换，通过上位机灵活配置使用数据地址信息；工程人员使用过程中灵活、安全、高效，通过使用无线三网4G满足不同山区信号的不同选择，极大的提高了产品的实用性。

作为上述实施例的优选，该装置还包括SIM模块13，SIM模块13与无线模块11连接，SIM模块13支持移动、联通、电信卡。SIM支持移动、联通、电信三种网络运营商，使其现场信号选择更广泛，最大地保证了本发明装置信号的稳定性、安全性、便利性。

在本发明实施例中，MCU5连接有晶振3，晶振3为起振晶振，晶振3为MCU5提供工作所需的基础时钟频率，通过锁相环PLL倍频配置达到MCU5实际工作的时钟频率。

在本发明实施例中，MCU5还连接有工作LED指示灯4和服务器连接LED指示灯6，当设备上电运行时，工作LED指示灯4以一段时间间隔闪烁显示，设备为正常运行状态；当设备成功连接上服务器之后，服务器连接LED指示灯6点亮，即设备连接服务器成功，当设备离线时，服务器连接LED指示灯6熄灭。工作LED指示灯4可以更加清晰、直观地知道本发明装置的工作运行状态，服务器连接LED指示灯6可以更加清晰、直观地知道本发明装置的连接服务器状态，现场工作人员观察设备状态信息一目了然，极大地提高了其使用实用性与便利性。

在本发明实施例中，该装置还包括USB转串口模块8，USB转串口模块8一端与MCU5连接，另一端与上位机9连接。进一步的，上位机9与USB转串口模块8之间连接有LDO7，LDO7用于电压的转换。MCU5通过USB转串口模块8与上位机配置软件9相连接，MCU5的通讯电平为3.3V，而上位机一般都预留有USB接口，通过增加USB转串口8，使得MCU5的数据可以通过USB转串口模块8与上位机配置软件9进行数据交互，由于上位机的USB接口是5V电平，需要增加LDO（3.3V）电源对USB接口的5V电源将为MCU5通讯的3.3V，保证了MCU5与上位机配置软件9的稳定通讯，通过此设计，使得本发明装置无需增加额外的拓展通讯模块，只需一根USB连接线即可完成本发明装置与上位机配置软件的通讯连接，极大地提高了本发明装置的具体实用性与便利性。

在本发明实施例中，该装置还包括数据通讯隔离12和串口14，MCU5通过串口14与数据通讯隔离12相连接，数据通讯隔离12与无线模块11相连接。MCU5和无线通讯模块11之间设置有数据通讯隔离模块12，MCU5的通讯电压为3.3V，而无线通讯模块11的通讯电压为1.8V，通过增加通讯隔离模块12，即可解决两者通讯电压不一致的情况，且数据无丢失，安全，更稳定。MCU5通过数据通讯隔离模块12把数据传给无线通讯模块11，然后无线通讯模块11通过TCP协议与服务器10连接，一方面无线通讯模块11把MCU5的数据发送给服务器10，同时无线通讯模块11接收服务器10上面的数据，从而进行数据的实时交换，服务器10会解析无线通讯模块11发送的数据。

在本发明的优选实施例中，外部电源17支持9V至24V电压，并通过DC/DC模块分别与MCU5、无线模块11连接。这里需要指出的是，外部电源17通过DC/DC3.3V16与MCU5相连接，为MCU5提供稳定、精准的工作电压，使用DC/DC电源转换模块，与LDO相比，具有效率高、可以输出大电流、静态电流小等优点，使用DC/DC电源转换可以使本发明装置支持的外部电压范围更宽广，外部电源9V-24V均可正常稳定地工作，极大的提高了使用范围。外部电源17通过DC/DC3.8V15与无线通讯模块11相连接，为无线通讯模块11提供稳定、精准的工作电源。

在本实施例中，MCU5采用自带现场总线控制器的微控制器或微处理器，或采用不带现场总线控制器的微控制器或微处理器外扩现场总线控制器的方式。作为一种优选的实施方式，数据处理单元MCU5采用了ARM内核Cortex-M3内核超低功耗MCU设计，采用专有的超低泄漏制程，具有创新型自主动态电压调节功能和5种低功耗模式，动态运行模式低至177μA/MHz。

在本发明实施例的下部分，为了便于理解本发明，对本装置的具体电路模块进行详细介绍。

参阅图3，因为USB接口的电平为5V，而MCU5的IO口电平为3.3V，为了保证电平统一有效性，所以通过LDO芯片AMS117-3.3对USB电压进行降压处理，AMS117-3.3可保证电压波纹精度在1%以内，C11、C13的电容值是为了滤尖波，消除电压波纹，C10、C12电容值是为了去耦，当MCU5或3.3V电路瞬时用电过大时，C10、C12电容可以及时的给予补充，保证了电路电压的稳定。

参阅图4，DC/DC电源转换芯片采用MP1584，输入电压可在4.5V-28V之间，最大可输出3A电流，MP1584内部内置MOS管，通过不断的切换SW引脚，把电量存储在电感L2中，通过调节R9和R10的电阻值，控制输出电压为3.3V，电阻R1和R4是为了把输入电压分压，然后输入给MP1584使能引脚EN，使芯片处于使能状态，C7的电容值是为了去耦，当MCU5或3.3V电路瞬时用电过大时，C9电容可以及时的给予补充电能，使电路中的电压一直保持稳定。

参阅图5，DC/DC电源转换芯片采用XL4005E1，输入电压可在5V-32V之间，最大可输出3A电流，XL4005E1内部内置MOS管，通过不断的切换SW电压，把电量存储在电感L1中，通过调节R2和R3的电阻值，控制输出电压为3.8V，C7和C8的电容值同样是为了滤波和去耦，MCU5可以通过控制XL4005E1的使能引脚EN来实现对XL4005E1的输出开和关控制，R19为限流电阻。

参阅图6，D6为本发明装置运行状态指示灯，R25为控制信号的限流电阻，通过修变R25的电阻值，可以调节Q3的最大电流放大倍数，R24为LED（D6）的限流电阻，通过修改R24的电阻值，可以改变LED（D6）的亮度。

参阅图7，D5为本发明装置连接服务器状态指示灯，R23为控制信号的限流电阻，通过修变R23的电阻值，可以调节Q2的最大电流放大倍数，R21为LED（D5）的限流电阻，通过修改R21的电阻值，可以改变LED（D5）的亮度。

参阅图8，MAX3430ESA为485通讯芯片，可支持3.3V操作电压以及-7V至12V总线通讯输入电压范围，最大支持128个设备接入通讯总线上， C3为MAX3430ESA的滤波电容，R5、R11、R6为MCU的通讯及控制限流电阻，R8和R18为通讯总线的限流电阻，D2和D4为通讯总线的稳压二极管，防止通讯总线电压过高时击穿芯片及其电路，保证了其电路的稳定可靠。

参阅图9，CH340G为USB转串口芯片，CH340G支持波特率2400bps到115200bps，几乎包含了常用串口波特率范围，R26和R30为MCU串口通讯的限流电阻，C20为CH340G的滤波电容，Y2为12M无源晶振，为CH340G提供工作基础时钟，C24和C25为Y2的起振电容，保证Y2晶振的正常起振。

参阅图10，Y1为12M无源晶振，为MCU提供工作基础时钟，C22和C23为Y1的起振电容，保证Y1晶振的正常起振。

参阅图11，由于MCU的IO通讯电压和无线通讯模块11的通讯电压不一致，故需要增加数据通讯隔离模块12来进行通讯电平的转换与隔离，数据通讯隔离模块12采用了TXB0104PWR芯片隔离设计，TXB0104PWR的1.8V电压取自无线通讯模块11内部的LDO电源，极大的节约了电路设计成本，C34和C29为滤波电容，C34和C29电容滤除了电路中的电压波纹干扰，保证了芯片工作的可靠和稳定性。

参阅图12，SIM卡可使用移动、联通、电信任意一种卡种，SRV05-4为SIM卡的静电保护芯片，可以有效消除15KV的静电，R34和R36和R37为匹配电阻，C28和C31和C35电容值减小电路通讯波形的干扰，C32为滤波电容。

参阅图13，无线通讯模块11采用的是芯讯通无线科技公司的7600CE-M模块，供电电压范围: 3.4V~ 4.2V，其数据参数如下：

数据传输

•LTE CAT4-上行最大速率：50Mbps， -下行最大速率：150Mbps

•TD-SCDMA-上行最大数率：128Kbps，

-下行最大数率：384Kbps

•TD-HSDPA/HSUPA -上行最大数率：2.2 Mbps。

支持7模，三网全通。

GPS定位支持北斗+GPS+GLONASS三种模式。

C30和C38为去耦电容，当7600CE-M电路中使用电量较大时，即使补充所需的电量，C27、C33、C36、C37、C26为滤波电容，滤除了电路中的电压波纹干扰，

D7为7600CE-M芯片的工作指示灯，R35为D7的限流电阻，通过修改R35的电阻值可以改变D7的亮度，R39和R41为S8550的放大倍数调节电阻，通过调节R39和R41的电阻值，可以调节S8550的电流放大倍数。

参阅图14，MCU5采用STM32L151C8T6-A芯片，STM32L151C8T6-A的每个部分都通过优化达到了卓越的低功耗水平，ARM® Cortex®-M3内核与STM32单片机超低功耗特性相结合，STM32L151C8T6-A微控制器提供了动态电压调节、超低功耗时钟振荡器。这种创新型架构（电压调节、超低功耗MSI振荡器）能够以极低的功耗预算为您的设计实现更高的性能，新的自主式外设（包括USART、I²C）分担了ARM Cortex-M3内核的负荷，减少了CPU唤醒次数，因此有助于减少处理时间及功耗。它还内置有其它一些增值特性，例如12位ADC（硬件过采样）、超低功耗模式中的短唤醒时间及低功耗模式下仍可工作的通信外设，实现了集成特性、高性能与超低能耗之间的完美平衡具有高达64KB闪存、32 KB RAM及高达4KB的嵌入式EEPROM（无需闪存模拟），动态运行模式：低至177 μA/MHz，采用32位ARM公司内核处理器，运行速度比传统8位处理器速度更快，更稳定，采用16位定时计数，速度比传统8位及12位定时器更精准。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，包括：工控机（1）、485模块（2）、MCU（5）、上位机（9）、服务器（10）、无线模块（11）和外部电源（17）；

所述工控机（1）通过所述485模块（2）与所述MCU（5）连接，所述上位机（9）与所述MCU（5）连接，所述服务器（10）与所述无线模块（11）通讯连接，所述无线模块（11）与所述MCU（5）连接，从而实现数据的交互；所述外部电源（17）分别与所述MCU（5）、无线模块（11）连接，用于供电。

2.根据权利要求1所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，该装置还包括SIM模块（13），所述SIM模块（13）与所述无线模块（11）连接。

3.根据权利要求1所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，所述MCU（5）连接有晶振（3），所述晶振（3）为起振晶振，所述晶振（3）为所述MCU（5）提供工作所需的基础时钟频率，通过锁相环PLL倍频配置达到所述MCU（5）实际工作的时钟频率。

4.根据权利要求1所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，所述MCU（5）还连接有工作LED指示灯（4）和服务器连接LED指示灯（6），当设备上电运行时，所述工作LED指示灯（4）以一段时间间隔闪烁显示，设备为正常运行状态；当设备成功连接上服务器之后，所述服务器连接LED指示灯（6）点亮，即设备连接服务器成功，当设备离线时，所述服务器连接LED指示灯（6）熄灭。

5.根据权利要求1所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，该装置还包括USB转串口模块（8），所述USB转串口模块（8）一端与所述MCU（5）连接，另一端与所述上位机（9）连接。

6.根据权利要求5所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，所述上位机（9）与所述USB转串口模块（8）之间连接有LDO（7），所述LDO（7）用于电压的转换。

7.根据权利要求1所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，该装置还包括数据通讯隔离（12）和串口（14），所述MCU（5）通过所述串口（14）与所述数据通讯隔离（12）相连接，所述数据通讯隔离（12）与所述无线模块（11）相连接。

8.根据权利要求2所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，所述SIM模块（13）支持移动、联通、电信卡。

9.根据权利要求1所述的基于工控机与VPN衔接装置，其特征在于，所述外部电源（17）支持9V至24V电压，并通过DC/DC模块分别与所述MCU（5）、无线模块（11）连接。

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