??? 摘? 要: 提出利用MODBUS協(xié)議實現(xiàn)多CPU系統(tǒng)中信息交互的方案,分析了軟硬件通信機制的設計和系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)的方法,以及各種提高通信效率的措施。?

??? 關鍵詞: MODBUS通信協(xié)議? 多CPU系統(tǒng)? 通信

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??? 在電力系統(tǒng)微機綜合保護和自控裝置以及其它工業(yè)自動化控制領域,微控制器的應用越來越廣泛,其裝置的復雜性也越來越高。為了解決其開發(fā)對象實時多任務性的要求,單CPU、單人開發(fā)的模式正在被多個、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,面臨一個新問題——在實施信息交互的過程中如何將實現(xiàn)CPU之間信息交互的軟硬件標準化,這是關系到該模式能否成功實施的關鍵。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、可靠性高和可帶動多CPU、多設備級連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、成熟的第三方標準測試軟件,為用戶使用提供了諸多優(yōu)勢。因此,在開發(fā)新型電動機綜合保護裝置TH21-4M的過程中,采用RS-485串行通信方式和MODBUS通信協(xié)議,實現(xiàn)了多CPU之間的數(shù)據(jù)和控制命令的信息交互。為了增強串行通信的高效、協(xié)調性,筆者在通信機制的軟硬件結構上采取了很多措施,并取得了很好的效果。在調試系統(tǒng)通信階段,使用了各CPU模塊先與MODBUS標準測試軟件通信,之后再互相聯(lián)調的方法,大大提高了協(xié)同開發(fā)的效率。實踐證明,該設計思想簡化了系統(tǒng)的結構,大大提高了裝置的運行效率和可靠性。本文將結合TH21-4M的設計思路,從硬件設計和軟件規(guī)劃兩方面,介紹如何利用MODBUS通信協(xié)議,實現(xiàn)多CPU結構的協(xié)同開發(fā)。?

1 TH21-4M電動機綜合保護裝置的特點?

??? TH21-4M電動機綜合保護裝置除綜合保護功能以外,兼有測量、遠動和通信的功能;大屏幕的漢字液晶顯示,可以實現(xiàn)友好的人機界面;利用CAN總線,與監(jiān)控主機進行通信,從而構成分級分散式的變電站綜合自動化系統(tǒng)的子系統(tǒng)。?

??? 在設計上,由于裝置需要實現(xiàn)多任務,為了優(yōu)化系統(tǒng)功能,采用了多CPU的系統(tǒng)結構。其中一個CPU負責定時采樣脈沖發(fā)送;主CPU模塊負責數(shù)據(jù)處理、電量計算、故障判斷和開關操作;面板模塊上的CPU負責人機交互,并實現(xiàn)與主保護模塊和監(jiān)控主機的通信任務。各個CPU模塊有明確的任務分工,研制時也容易實現(xiàn)多人協(xié)同開發(fā)。在整個結構中,串行通信溝通了主CPU和面板CPU,使人機交互成為可能,因而占有重要的地位。建立合理的通信機制則是串行通信部分的核心所在,它決定著通信的協(xié)調性和系統(tǒng)開發(fā)后期調試的效率。?

2 通信機制介紹?

2.1 通信機制硬件設計原理?

??? 本系統(tǒng)通信機制的提出以高效、可靠為目的。RS-485為半雙工結構,現(xiàn)場中比全雙工往往更接近于實用,在此采用只有2條信號線的最簡型連接。系統(tǒng)接口電路圖由圖1所示。主保護模塊上的80C196單片機輸出的TTL邏輯電平通過光電隔離后,由MAX485芯片轉換為RS-485電平,再由面板模塊上的MAX485芯片轉換為TTL邏輯電平,由80C31單片機讀取;反之亦然。在80C196單片機一側,使用并行輸入輸出口2 (IO_PORT2)的一位P2.7對MAX輸入使能端 RE、輸出使能端DE進行控制。由圖1可知,當P2.7輸出高電平時,RE使能,單片機一側接收數(shù)據(jù);當P2.7輸出低電平時,DE使能,單片機一側發(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,通信質量高,通信速度也能得到保證。?

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2.2? 通信協(xié)議介紹?

??? 為了保證保護裝置中兩個模塊之間能夠正確地傳遞數(shù)據(jù),必須有一套關于信息傳輸?shù)哪Ｊ?、?shù)據(jù)格式和內(nèi)容等的規(guī)定,即規(guī)約^[1]或通信協(xié)議。雖然保護裝置內(nèi)部的通信相對簡單,兩個模塊之間傳遞的數(shù)據(jù)也不是很多,但是自定義內(nèi)部通信協(xié)議的弊端是很明顯的。首先,自定義通信協(xié)議很難在時序、任務的協(xié)調上配合得很好,數(shù)據(jù)傳送的可靠性也難以保證;其次,由于沒有現(xiàn)成的較成熟的調試軟件,主CPU模塊基本是黑匣子,系統(tǒng)聯(lián)調時的困難較多且難以克服。因此,采用了當前流行的MODBUS通信協(xié)議,并結合本裝置的特點加以簡化,從而實現(xiàn)了模塊間的通信,事實證明效果很好。?

??? MODBUS的通信方式為主從方式^[2]。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)回數(shù)據(jù)。每個從方都有自己獨立的地址。主方所發(fā)的請求幀和從方所發(fā)的應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文不作應答。這種一問一答的通信模式,大大提高了通信的正確率。但對于微機保護來說,該主從方式也存在著弊端,即當保護主模塊進行保護動作后,無法立刻向上位機傳送故障信息,只能由上位機不斷向保護主模塊詢問保護是否動作,若有,則再進一步要求具體故障信息。?

??? MODBUS有RTU(Remote Terminal Unit)和ASCII兩種傳送方式。為了保證較高的通信速度,采用了RTU方式,數(shù)據(jù)字節(jié)無奇偶校驗位,加上起始、終止位后字節(jié)長度為10bit,數(shù)據(jù)間隔在24bit以內(nèi),采用循環(huán)冗余檢驗方式對報文進行校驗。?

??? MODBUS典型的報文格式如下:?

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??? 一個通信報文的具體內(nèi)容取決于該指令字符串的功能碼,MODBUS中定義的標準功能碼如表1所示。?

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??? 由功能碼的定義可以看出,傳送的報文對象主要分為模擬量和數(shù)字量兩類,由報文頭的功能碼來確定報文的內(nèi)容。在實際應用中,主要使用02、04、05和06這四種功能碼,完成對數(shù)字量和模擬量的讀取及設置。?

??? 數(shù)據(jù)起始地址和數(shù)據(jù)量是報文的主要內(nèi)容。MODBUS規(guī)定的數(shù)據(jù)量是從通信對象的器件中讀取的數(shù)據(jù)或是往通信對象的器件中寫入的數(shù)據(jù)。每個通信對象器件都有自己的地址。在保護裝置的內(nèi)部通信中,指定各通信對象器件為主機板的RAM中保存的數(shù)字量和模擬量,以及EEPROM中設定的保護配置和定值。在處理通信報文時,由報文的數(shù)據(jù)起始地址和對應的數(shù)據(jù)量長度進行讀取或發(fā)送任務。當傳送數(shù)字量時,不同地址的數(shù)據(jù)值用報文中數(shù)據(jù)量字節(jié)中不同的位來表示,這樣就能傳送更多的數(shù)據(jù)信息,從而高效地利用通信報文。由于每幀數(shù)據(jù)不定長,方便靈活,因而避免了固定幀長造成的對CPU時間和內(nèi)存空間的浪費。另外,MODBUS通信協(xié)議規(guī)定在通信字符串中的地址比實際地址小“1”,這對數(shù)組進行操作時是一個方便之處。?

??? 報文末的兩個字節(jié)為校驗字節(jié)。RTU方式通信采用CRC-16位循環(huán)碼冗余校驗,即將整個字符串(不包括最后兩個字節(jié))按規(guī)定的方式進行位移并進行異或計算,計算結果存于字符串的最后兩個字節(jié)內(nèi),并由接收方按同樣的計算方法進行校驗是否一致。這種校驗方法對隨機或突發(fā)差錯造成的幀破壞有很好的校驗效果。?

3 提高通信效率的措施?

??? 在確立硬件平臺和通信協(xié)議后的軟件設計過程中,筆者采用了很多方法提高通信的效率和可靠性。?

3.1 將通信分為接收和發(fā)送兩個獨立的任務^[3] ?

??? 80C196單片機可以使用查詢和中斷兩種方法通過串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。對于中斷方式,80C196單片機提供了兩種串口中斷方式:第一種方式為一個單獨的串口中斷,由中斷屏蔽寄存器INT_MASK的D6位控制,對應中斷向量200CH,串行口狀態(tài)寄存器SP_STAT(11H)的D5(發(fā)送完標志TI )和D6(接收完標志RI )置位都將觸發(fā)該中斷;第二種方式為接收、發(fā)送分別設置了中斷號,使用INT_MASK1的D0位對應發(fā)送中斷,中斷向量2030H,TI置位觸發(fā)該中斷;INT_MASK1的D1位對應接收中斷,中斷向量2032H,RI置位觸發(fā)該中斷。筆者采用了第二種通信方式。這樣每接收完或發(fā)送完一個字節(jié)后就觸發(fā)相應的中斷,直接進行下一輪的接收、發(fā)送任務,而不必判斷串行口控制/狀態(tài)寄存器SP_CON/SP_STAT(11H),使得中斷子程序更為簡練、高效。?

3.2 盡量縮短中斷時間?

??? 由于設計軟件結構時使用了多個中斷,為了保證程序的可靠運行,減少不同中斷間相互沖突的機率,在編制軟件時盡可能簡練各種中斷的任務,縮短中斷執(zhí)行時間。在通信中斷子程序中,進入中斷后執(zhí)行必要的任務,如:清串行口狀態(tài)寄存器SP_STAT中相應的狀態(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)讀出或寫入緩沖區(qū),已接收或發(fā)送字符數(shù)增1等,之后便立即退出中斷。其它任務如判斷幀的有效性、對接收幀命令(遙測、遙控命令)的應答,準備發(fā)送幀等,都放在主程序中完成。?

3.3 可靠地判斷幀結束,防止通信停滯?

??? 利用單獨的軟件定時器,來判斷一幀接收報文結束,可以防止若報文接收不完整,該幀通信任務無法結束而影響下一幀的接收。?

??? 由于一幀報文中字節(jié)與字節(jié)之間的時間間隔和幀與幀之間的時間間隔相比要小得多,因此每當接收到一個新字節(jié),就啟動軟件定時器開始計時,定時器的時間設定為幀與幀的最小時間間隔。波特率不同,該時間間隔也不同。若不到預定的時間內(nèi)又接收到下一個字節(jié),則說明一幀報文未結束,定時器重新計時;若定時器順利計數(shù)到預定時間,就會觸發(fā)相應的中斷號,在該定時器中斷子程序中設定幀結束標志字節(jié),表明一幀報文接收完畢。當主程序內(nèi)檢測到一幀報文接收完畢后,會通過核查從方地址及循環(huán)冗余校驗字節(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)送給己方的正確報文,則會根據(jù)報文內(nèi)的功能碼對該幀命令進行相應的處理,并準備發(fā)送幀。?

??? MODBUS協(xié)議還規(guī)定了從方接收報文不正確時發(fā)回的出錯幀?？紤]到裝置內(nèi)部通信的過程不是很復雜,在實際應用中如果從方收到的報文校驗不正確,采取不作應答的方式。主方若在規(guī)定時間內(nèi)未收到從方的應答報文時,將重發(fā)請求報文;若多次未收到從方應答報文,則報通訊故障。?

3.4 通信速率的確定?

??? 由于所開發(fā)的裝置都在同一機箱內(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,不會出現(xiàn)線路堵塞現(xiàn)象。因此,僅從通信效率來看,只要不超過模塊所使用芯片對最高波特率的限制,則設定的波特率越高,信息交互越快,通信效率也越高。但是,對于實時多任務系統(tǒng),必須注意各任務的協(xié)調。MODBUS通信協(xié)議中只對各種通信報文格式作了規(guī)定,對通信波特率和奇偶校驗等不作硬性規(guī)定。當一幀報文的長度較長,而波特率又很高,會導致CPU忙于處理通信而可能丟失其它實時性任務,如實時采樣等。因此,選擇通信波特率時必須注意與其它任務相協(xié)調,而不是越高越好。在實際應用中,將波特率設置到19200bps,系統(tǒng)協(xié)調運作。由于設定通信雙方波特率完全一致,可以使接收端對每一個數(shù)據(jù)位的采樣都發(fā)生在位周期的中點,實現(xiàn)可靠通信。另外,在字符傳送時不使用奇偶校驗位,以此相對提高了有效字節(jié)傳遞的速率。?

3.5 合理的調試方法?

??? 在開發(fā)初期,使用仿真器等工具只能對單一CPU模塊進行實時監(jiān)測,而無法同時監(jiān)測串行通信雙方,難以確定問題所在,使調試效率受到很大影響。因此先將各CPU模塊分別通過RS485/RS232數(shù)據(jù)轉換模塊與微機進行通信測試,成功后再進行模塊間聯(lián)調,大大提高了聯(lián)調的效率。在調試各模塊與微機通信的過程中,微機使用MODBUS調試軟件,模仿主方的通信過程,主動向從方(各CPU模塊)索要信息。整個接收、發(fā)送過程都是透明、清晰的,使得模塊中存在的絕大多數(shù)問題都能在與微機通信的過程中發(fā)現(xiàn)并及時解決。CPU模塊間聯(lián)調時,可以利用總線監(jiān)控軟件,觀察雙方發(fā)送的數(shù)據(jù)。當遇到通信問題的時候,就能比較容易地確定是哪一個模塊發(fā)送數(shù)據(jù)不正確,從而確定問題所在。采用這樣的調試方法,大大增強了不同開發(fā)人員、不同CPU之間的協(xié)調性,提高了裝置研發(fā)的效率和進度。?

參考文獻?

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