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(lái)越 廣泛，其裝置的復(fù)雜性也越來(lái)越高。為了解決其開發(fā)對(duì)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(wèn)題——在實(shí)施信息交互的過(guò)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(jiǎn)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(shì)。因此，在開發(fā)新型電動(dòng)機(jī)綜合 保護(hù)裝置的過(guò)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(chǎng)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(jiǎn)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(guò)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(duì)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(méi)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(jiǎn)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(qǐng)求指令，從方根據(jù)請(qǐng)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(qǐng)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(duì)以其他從方地址開頭的 報(bào)文不作應(yīng)答，它是通過(guò)8051 的串行口工作方式2 或方式3 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種一問(wèn)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(jiǎn)單，誤判概率很低，可通過(guò)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(shuō)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(zhǎng)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(jiǎn)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(guò)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(méi)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(guò)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(qǐng)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(qǐng)求中斷，請(qǐng)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(qǐng)求中斷，請(qǐng)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(jiǎn)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(duì)接收幀命令（遙測(cè)、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(lái)判斷一幀接收?qǐng)?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(wú)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(shuō)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(cè)到一幀報(bào)文接收完畢后，會(huì)通過(guò)核查從方地址及循環(huán)冗余校驗(yàn) 字節(jié)是否正確來(lái)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(duì)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?qǐng)?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(qǐng)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(zhǎng)距離通信，可以不考慮距離對(duì)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(lái)看，只要不超過(guò)模塊所使用芯片對(duì)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(duì)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(cè)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(guò)程中，微機(jī) 使用Modbus 調(diào)試軟件，模仿主方的通信過(guò)程，主動(dòng)向從方索要信息，整個(gè)接收、發(fā)送過(guò)程 都是透明的、清晰的，從而使得模塊中存在的問(wèn)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(wèn)題和解決問(wèn)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。

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