采用RS-485串行通信和Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)電動機綜合保護裝置的設(shè)計

1 引言

在自控裝置和電力系統(tǒng)微機綜合保護以及其它工業(yè)自動化控制領(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)對象實時多任務(wù)性的要求，單CPU、單個開發(fā) 的模式將被多個、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(guān)系到 該模式能否成功實施的關(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)新型電動機綜合 保護裝置的過程中，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(diào)性，筆者在通信機制的軟硬件結(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 標準 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。實踐證明，該設(shè)計思想簡化 了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，大大提高了裝置的運行效率和可靠性。

2 電動機綜合保護裝置的特點

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(gòu)成分級分散式的 變電站綜合自動化系統(tǒng)的子系統(tǒng)。由于裝置需要實現(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)計方法。其中一個CPU 負責(zé)定時采樣脈沖發(fā)送;主CPU 模塊負責(zé)數(shù)據(jù)處理、電量計算、故障判斷和開關(guān)操作;而板模塊上CPU 負責(zé)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(wù)。各個CPU 模塊有明確的任務(wù)分工，研制時也容易實現(xiàn)多人協(xié)同開發(fā)。在整個構(gòu)成中，串 行通信溝通了主CPU 和面板CPU，使人機交互成為可能，因而有著重要的地位。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 通信機制介紹

3.1 通信機制硬件設(shè)計

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(jié)構(gòu)，現(xiàn)場中比全雙工往往更接 近于實用，在此采用只有2 條信號線的簡易型連接。系統(tǒng)接口電路圖由圖1 所示，主保護模塊上 的8051 單片機輸出的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 單片機讀取。在8051 單片機一側(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 進行控制。由圖1 可知，當(dāng)P2.7 輸出高電平時，RE 使能，單片機一側(cè)接收數(shù)據(jù);當(dāng)P2.7 輸出低電平時，DE 使能，單片機一側(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(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，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(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， 它的編譯碼設(shè)備比較簡單，誤判概率很低，可通過計算法和編程法實現(xiàn)，幾種方法如下：

4.1 基本算法（人工筆算）

以CRC16-CCITT 為例進行說明，CRC 校驗碼為16 位，生成多項式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)于擴大256×256 倍，再除以生成多項式0x11021，進行不借位的除 法運算（相當(dāng)于按位異或），所得的余數(shù)就是CRC 校驗碼。 發(fā)送時的數(shù)據(jù)流為6 字節(jié)：BYTE、BYTE、BYTE、BYTE［0］、CRC、CRC［0］。

4.2 計算機算法1（比特型算法）

1）將擴大后的數(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字節(jié)獲得），再與生成多項式的簡記式異或；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 校驗碼CRC、CRC［0］。

4.3 計算機算法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)表達式

BYTE［n］×256^n+BYTE［n-1］×256^（n-1）+ 。..+BYTE*256+BYTE［0］，在這里+表示為異或運算。設(shè)生成多項式為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，再除以生成多項式G17。

經(jīng)過推導(dǎo)可知，BYTE［n-1］字節(jié)的CRC 校驗碼等于上一字節(jié)CRC 校驗碼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)進行異或運算，得出一個指向值表的索引。

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)送兩個任務(wù)獨立

8051 單片機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，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 寫入一個數(shù)據(jù)或字符時（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 縮短中斷時間

由于設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)時使用了多個中斷，為了保證程序的可靠運行，減少不同任務(wù)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(wù)，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(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

利用單獨的軟件定時器，來判斷一幀接收報文結(jié)束，可以防止若報文接收不完整，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(dāng)接收一個新字節(jié)，就啟動軟件定時器開始計時，定時 器的時間設(shè)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(yù)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(jié)束，定時器重新計時;若定時器順利計數(shù)到預(yù) 定時間，就會觸發(fā)相應(yīng)的中斷號，在該定時器中斷子程序中設(shè)定幀結(jié)束標志字節(jié)，表明一幀報 文接收完畢。當(dāng)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)送給已方的正確報文，則會根 據(jù)報文內(nèi)的功能碼對該幀命令進行相應(yīng)的處理，并準備發(fā)送幀，當(dāng)從方接收報文不正確時發(fā) 回出錯幀，如果從方收到的報文校驗不正確，可采取不作應(yīng)答的方式，主方若在規(guī)定時間內(nèi) 未收到從方的應(yīng)答報文時，將重發(fā)請求報文;若多次未收到從方應(yīng)答報文，則報通訊故障。

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數(shù)據(jù)位的采樣都發(fā)生在位周期的中點，從而實現(xiàn)可靠通信。

5.5 合理的調(diào)試方法

調(diào)試時先將各個CPU 模塊分別通RS485/RS232 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊與微機進行通信測試，成 功后再進行模塊間聯(lián)調(diào)，大大提高了聯(lián)調(diào)的效率。在調(diào)試各模塊與微機通信的過程中，微機 使用Modbus 調(diào)試軟件，模仿主方的通信過程，主動向從方索要信息，整個接收、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解決；聯(lián)調(diào)時，利用總線監(jiān)控軟 件觀察雙方的數(shù)據(jù)，及時地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

6 本文的創(chuàng)新點

第一，本文在保護裝置中的采用Modbus 這種通用的工業(yè)標準，所需的工具軟件可以直 接從相關(guān)網(wǎng)站獲得，不需知識產(chǎn)權(quán)方面的花費；第二，保護裝置實施多任務(wù)化，利用Modbus 協(xié)議創(chuàng)建了CPU 模塊間合理的聯(lián)調(diào)機制，大大提高了系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)的效率。

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