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1 引言 在自控裝置和電力系統(tǒng)微機(jī)綜合保護(hù)以及其它工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域,微控制器的應(yīng)用越來越 廣泛,其裝置的復(fù)雜性也越來越高。為了解決其開發(fā)對象實(shí)時(shí)多任務(wù)性的要求,單CPU、單個(gè)開發(fā) 的模式將被多個(gè)、多類型CPU 和多人協(xié)同開發(fā)的模式所代替，在這新的開發(fā)模式中,面臨一個(gè)新 問題——在實(shí)施信息交互的過程中如何將實(shí)現(xiàn)CPU 之間信息交互的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化,這是關(guān)系到 該模式能否成功實(shí)施的關(guān)鍵。在眾多的通信方式中,基于UART 的RS-485 串行通信模式以其連 線簡捷、高可靠性以及可帶動(dòng)多CPU 的能力而被廣泛采用。在軟件通信協(xié)議的選擇上,Modbus 協(xié)議由于其通用、成熟的調(diào)試軟件,為用戶使用提供了諸多優(yōu)勢。因此,在開發(fā)新型電動(dòng)機(jī)綜合 保護(hù)裝置的過程中,采用RS-485 串行通信方式和Modbus 通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了多CPU 之間的數(shù)據(jù)和 控制命令的信息交互。為了增強(qiáng)串行通信的高效、協(xié)調(diào)性,筆者在通信機(jī)制的軟硬件結(jié)構(gòu)上采取 了很多措施,并取得了很好的效果。在調(diào)試系統(tǒng)通信階段,使用了各CPU 模塊先與Modbus 標(biāo)準(zhǔn) 測試軟件通信,之后再互相聯(lián)調(diào)的方法,大大提高了協(xié)同開發(fā)的效率。實(shí)踐證明,該設(shè)計(jì)思想簡化 了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),大大提高了裝置的運(yùn)行效率和可靠性。 2 電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置的特點(diǎn) 電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)裝置除綜合保護(hù)功能以外,兼有測量、遠(yuǎn)動(dòng)和通信的功能;大屏幕的漢字液 晶顯示,可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面;利用CAN 總線,與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信,從而構(gòu)成分級(jí)分散式的 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的子系統(tǒng)。由于裝置需要實(shí)現(xiàn)多任務(wù),為了優(yōu)化系統(tǒng)功能, 采用了多CPU 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其中一個(gè)CPU 負(fù)責(zé)定時(shí)采樣脈沖發(fā)送;主CPU 模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、電量計(jì)算、故障判斷和開關(guān)操作;而板模塊上CPU 負(fù)責(zé)人機(jī)交互,并實(shí)現(xiàn)與主保護(hù)模塊和監(jiān)控主機(jī)的通 信任務(wù)。各個(gè)CPU 模塊有明確的任務(wù)分工,研制時(shí)也容易實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同開發(fā)。在整個(gè)構(gòu)成中,串 行通信溝通了主CPU 和面板CPU,使人機(jī)交互成為可能,因而有著重要的地位。建立合理的通信 機(jī)制則是串行通信部分的核心的所在,它決定著通信的協(xié)調(diào)性和系統(tǒng)開發(fā)后期調(diào)試的效率。 3 通信機(jī)制介紹 3.1 通信機(jī)制硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)通信機(jī)制的提出以高效、可靠為目的。RS-485 為半雙工結(jié)構(gòu),現(xiàn)場中比全雙工往往更接 近于實(shí)用,在此采用只有2 條信號(hào)線的簡易型連接。系統(tǒng)接口電路圖由圖1 所示，主保護(hù)模塊上 的8051 單片機(jī)輸出的TTL 邏輯電平通過光電隔離后,由MAX485 芯片轉(zhuǎn)換為RS-495 電平,再由面 板模塊上的MAX485 芯片轉(zhuǎn)換為TTL 邏輯電平,由8031 單片機(jī)讀取。在8051 單片機(jī)一側(cè),使用并 行輸入輸出口2 的一位P2.7 對MAX 輸入使能端RE、輸出使能端DE 進(jìn)行控制。由圖1 可知,當(dāng)P2.7 輸出高電平時(shí),RE 使能,單片機(jī)一側(cè)接收數(shù)據(jù);當(dāng)P2.7 輸出低電平時(shí),DE 使能,單片機(jī)一側(cè)發(fā)送數(shù) 據(jù)。這樣,避免了盲目發(fā)送造成的數(shù)據(jù)疊加丟失現(xiàn)象,通信質(zhì)量高,通信速度也能得到保證。 3.2 通信協(xié)議 為了保證保護(hù)裝置中兩個(gè)模塊之間能夠正確地傳遞數(shù)據(jù),必須有一套關(guān)于信息傳輸?shù)哪?式、數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容等的規(guī)定,即規(guī)約或通信協(xié)議。由于沒有現(xiàn)成的較成熟的調(diào)試軟件,主 CPU 模塊基本是黑匣子,系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)的困難較多且難以克服。因此,采用了當(dāng)前流行的 Modbus 通信協(xié)議,并結(jié)合本裝置的特點(diǎn)加以簡化,從而實(shí)現(xiàn)了模塊間的通信,事實(shí)證明效果 很好。Modbus 的通信方式為主從方式，主方首先向從方發(fā)送通信請求指令,從方根據(jù)請求 指令中的功能碼向主方發(fā)回?cái)?shù)據(jù)。每個(gè)從方都有自己獨(dú)立的地址，主方所發(fā)的請求幀和從方 所發(fā)的應(yīng)答幀都是以從方地址開頭的。從方只讀發(fā)給自己的指令,對以其他從方地址開頭的 報(bào)文不作應(yīng)答，它是通過8051 的串行口工作方式2 或方式3 來實(shí)現(xiàn)的，這種一問一答的通 信模式,大大提高了通信的正確率，本文裝置中采用了Modbus 的RTU 傳送方式。 4 提高通信可靠性的措施 Modbus 報(bào)文末的兩個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，RTU 方式通信采用CRC-16 位循環(huán)碼冗余校驗(yàn), 它的編譯碼設(shè)備比較簡單，誤判概率很低，可通過計(jì)算法和編程法實(shí)現(xiàn)，幾種方法如下： 4.1 基本算法（人工筆算） 以CRC16-CCITT 為例進(jìn)行說明，CRC 校驗(yàn)碼為16 位，生成多項(xiàng)式17 位。假如數(shù)據(jù)流為 4 字節(jié)：BYTE、BYTE、BYTE、BYTE[0]； 數(shù)據(jù)流左移16 位，相當(dāng)于擴(kuò)大256×256 倍，再除以生成多項(xiàng)式0x11021，進(jìn)行不借位的除 法運(yùn)算（相當(dāng)于按位異或），所得的余數(shù)就是CRC 校驗(yàn)碼。 發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)流為6 字節(jié)：BYTE、BYTE、BYTE、BYTE[0]、CRC、CRC[0]。 4.2 計(jì)算機(jī)算法1（比特型算法） 1)將擴(kuò)大后的數(shù)據(jù)流（6 字節(jié)）高16 位（BYTE、BYTE）放入長度為16 的寄存器； 2)如果寄存器的首位為1，將寄存器左移1 位(寄存器的最低位從下一個(gè)字節(jié)獲得)，再與生成多項(xiàng)式的簡記式異或；否則僅將寄存器左移1 位(寄存器的最低位從下一個(gè)字節(jié)獲得)； 3)重復(fù)第2 步，直到數(shù)據(jù)流（6 字節(jié)）全部移入寄存器； 4)寄存器中的值則為CRC 校驗(yàn)碼CRC、CRC[0]。 4.3 計(jì)算機(jī)算法2（字節(jié)型算法）（256^n 表示256 的n 次方） 把按字節(jié)排列的數(shù)據(jù)流表示成數(shù)學(xué)多項(xiàng)式，設(shè)數(shù)據(jù)流為BYTE[n]BYTE[n－1]BYTE[n－2] ...BYTEBYTE[0]，表示成數(shù)學(xué)表達(dá)式 BYTE[n]×256^n+BYTE[n-1]×256^(n-1)+ ...+BYTE*256+BYTE[0]，在這里+表示為異或運(yùn)算。設(shè)生成多項(xiàng)式為G17（17bit），則CRC 碼為CRC16。 CRC16=(BYTE[n]×256^n+BYTE[n-1]×256^(n-1)+...+BYTE×256+BYTE[0])×25 6^2/G17，即數(shù)據(jù)流左移16 位，再除以生成多項(xiàng)式G17。 經(jīng)過推導(dǎo)可知，BYTE[n-1]字節(jié)的CRC 校驗(yàn)碼等于上一字節(jié)CRC 校驗(yàn)碼Y[n]的高8位（YH8[n]）與本字節(jié)BYTE[n-1]異或結(jié)果。 字節(jié)型算法如下： 1)CRC 寄存器組初始化為全"0"(0x0000)。 2)CRC 寄存器組向左移8 位,并保存到CRC 寄存器組。 3)原CRC 寄存器組高8 位（右移8 位）與數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行異或運(yùn)算，得出一個(gè)指向值表的索引。 4)索引所指的表值與CRC 寄存器組做異或運(yùn)算。 5)數(shù)據(jù)指針加1，如果數(shù)據(jù)沒有全部處理完，則重復(fù)步驟2)。 6)得出CRC。 5 提高通信效率的措施 5.1 將通信的接收和發(fā)送兩個(gè)任務(wù)獨(dú)立 8051 單片機(jī)可以使用中斷的方法通過串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，串行口控制器SCON 可 以初始化、可以位尋址，當(dāng)串行口發(fā)生中斷請求時(shí)，SCON 低兩位能鎖存發(fā)送中斷和接收中 斷，當(dāng)CPU 向串行口的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器SUBF 寫入一個(gè)數(shù)據(jù)或字符時(shí)（指令MOV SUBF， A），發(fā)送器就開始發(fā)送，當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，由硬件置“1”TI 標(biāo)志，表示串行口正在向 CPU 請求中斷，請求發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。同樣，若串行口接受器允許接收，當(dāng)接收器接收到 一幀數(shù)據(jù)，置“1”RI 標(biāo)志，表示串行口正在向CPU 請求中斷，請求CPU 到接收數(shù)據(jù)緩沖器 讀取數(shù)據(jù)。 5.2 縮短中斷時(shí)間 由于設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)時(shí)使用了多個(gè)中斷,為了保證程序的可靠運(yùn)行,減少不同任務(wù)相互沖 突的機(jī)率,在編制軟件時(shí)盡可能簡練各種中斷的任務(wù),縮短中斷執(zhí)行時(shí)間。在通信中斷子程序 中,進(jìn)入中斷后執(zhí)行必要的任務(wù),如：清串行口控制寄存器中相應(yīng)的狀態(tài)位,將剛接收到的字 符或需要發(fā)送的字符從緩沖區(qū)內(nèi)讀出或?qū)懭刖彌_區(qū),已接收或發(fā)送字符數(shù)增1 等,之后便立 即退出中斷。其它任務(wù)如判斷幀的有效性、對接收幀命令（遙測、遙控命令）的應(yīng)答,準(zhǔn)備 發(fā)送幀等,都放在主程序中完成。 5.3 有效地判斷幀結(jié)束,防止通信停滯 利用單獨(dú)的軟件定時(shí)器,來判斷一幀接收報(bào)文結(jié)束,可以防止若報(bào)文接收不完整,該幀通 信任務(wù)無法結(jié)束而影響下一幀的接收。由于一幀報(bào)文中字節(jié)與字節(jié)之間的時(shí)間間隔和幀與幀 之間的時(shí)間間隔相比要小得多,因此每當(dāng)接收一個(gè)新字節(jié),就啟動(dòng)軟件定時(shí)器開始計(jì)時(shí),定時(shí) 器的時(shí)間設(shè)定為幀與幀的最小時(shí)間間隔。波特率不同,該時(shí)間間隔也不同。若不到預(yù)定的時(shí)間內(nèi)又接收到下一個(gè)字節(jié),則說明一幀報(bào)文未結(jié)束,定時(shí)器重新計(jì)時(shí);若定時(shí)器順利計(jì)數(shù)到預(yù) 定時(shí)間,就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的中斷號(hào),在該定時(shí)器中斷子程序中設(shè)定幀結(jié)束標(biāo)志字節(jié),表明一幀報(bào) 文接收完畢。當(dāng)主程序內(nèi)檢測到一幀報(bào)文接收完畢后,會(huì)通過核查從方地址及循環(huán)冗余校驗(yàn) 字節(jié)是否正確來判斷該幀的有效性。若確定接收到的是一幀發(fā)送給已方的正確報(bào)文,則會(huì)根 據(jù)報(bào)文內(nèi)的功能碼對該幀命令進(jìn)行相應(yīng)的處理,并準(zhǔn)備發(fā)送幀，當(dāng)從方接收報(bào)文不正確時(shí)發(fā) 回出錯(cuò)幀，如果從方收到的報(bào)文校驗(yàn)不正確,可采取不作應(yīng)答的方式，主方若在規(guī)定時(shí)間內(nèi) 未收到從方的應(yīng)答報(bào)文時(shí),將重發(fā)請求報(bào)文;若多次未收到從方應(yīng)答報(bào)文,則報(bào)通訊故障。 5.4 通信速率的確定 由于所用的裝置都在同一機(jī)箱內(nèi),模塊與模塊之間的間距很短,而Modbus 是基于RS485 的長距離通信,可以不考慮距離對通信波特率的影響,并且由于采用主從式通信模式,不會(huì)出 現(xiàn)線路堵塞現(xiàn)象。因此從通信效率來看,只要不超過模塊所使用芯片對最高波特率的限制, 則設(shè)定的波特率越高,信息交互越快,通信效率也越高，由于設(shè)定通信雙方波特率完全一致, 可以使接收端對每一個(gè)數(shù)據(jù)位的采樣都發(fā)生在位周期的中點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)可靠通信。 5.5 合理的調(diào)試方法 調(diào)試時(shí)先將各個(gè)CPU 模塊分別通RS485/RS232 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊與微機(jī)進(jìn)行通信測試，成 功后再進(jìn)行模塊間聯(lián)調(diào)，大大提高了聯(lián)調(diào)的效率。在調(diào)試各模塊與微機(jī)通信的過程中，微機(jī) 使用Modbus 調(diào)試軟件，模仿主方的通信過程，主動(dòng)向從方索要信息，整個(gè)接收、發(fā)送過程 都是透明的、清晰的，從而使得模塊中存在的問題得以及時(shí)解決；聯(lián)調(diào)時(shí)，利用總線監(jiān)控軟 件觀察雙方的數(shù)據(jù)，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。 6 本文的創(chuàng)新點(diǎn) 第一，本文在保護(hù)裝置中的采用Modbus 這種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所需的工具軟件可以直 接從相關(guān)網(wǎng)站獲得，不需知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的花費(fèi)；第二，保護(hù)裝置實(shí)施多任務(wù)化，利用Modbus 協(xié)議創(chuàng)建了CPU 模塊間合理的聯(lián)調(diào)機(jī)制，大大提高了系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)的效率。 |
