單片機組成的集散控制系統(tǒng)中雙串口同時通訊的實現(xiàn)

1　系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.1　系統(tǒng)要求與總體方案設(shè)計

該系統(tǒng)中有單相、三相、機械式和電子式等各種型號電能表，要求實時、準(zhǔn)確、快速、可靠地采集各分散電能表的用電量數(shù)據(jù)，適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場條件，連續(xù)運行、操作簡便、維修快捷。硬件系統(tǒng)要具有通用性、可擴展性，并能適應(yīng)各種大中型發(fā)電、用電企業(yè)的電量管理。因此在系統(tǒng)設(shè)計中，重點考慮了以下因素：實時性、高可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性、通用性、可擴展性、經(jīng)濟性等。

集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed ControlSystem)是一種分散控制、集中信息管理系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)是在電廠使用，并已有DCS平臺，因此采用DCS作為主站，也可采用單獨的上位機來管理。DCS中采用了雙前置機熱后備的冗余系統(tǒng)設(shè)計方法，2臺前置機可相互替換以提高系統(tǒng)可靠性。

本DCS采用Interllution iFox工控組態(tài)軟件，使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線RS422將集抄系統(tǒng)硬件連入前置機，進行電量分析，負荷管理，并具有圖形、曲線、報表打印輸出功能，可與其他網(wǎng)絡(luò)接口。由于采集模塊一般都不少于幾十個，如直接連入DCS，則測點太多，因此在DCS和采集模塊之間增加一級數(shù)據(jù)集中器(簡稱集中器)，將一個集中器作為一個測點，減輕DCS的負擔(dān)和大幅度降低成本，提高了系統(tǒng)的性能價格比。

集中器和采集模塊之間，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線RS485進行雙向通訊。集中器不斷巡測采集模塊，以統(tǒng)計存儲各種用電數(shù)據(jù)，同時又要保證和DCS之間的正常通訊，這就要求集中器具備雙串口同時通訊的能力。集中器中采用一片具有雙串口的CPU(DS80C320)來實現(xiàn)雙串口同時通訊。本系統(tǒng)中的RS422，RS232、紅外通訊均使用通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議。

1.2　系統(tǒng)組成與功能

集抄系統(tǒng)由電量采集模塊、數(shù)據(jù)集中器、專用掌上電腦和DCS經(jīng)RS422和RS485總線靈活配置而成。集抄系統(tǒng)組成圖如圖1所示。采集模塊通過檢測機械式電表表盤的轉(zhuǎn)數(shù)或電子式電表輸出的脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)換成電表用電量，經(jīng)RS485總線將用電量數(shù)據(jù)上傳。采集器中保存的用電量數(shù)據(jù)與原有電表上的用電量窗口顯示值相一致。安裝采集器后不改變原有電表的整體結(jié)構(gòu)和計量精度。

采集模塊具有獨立的CPU和非易失性斷電保持存儲器及工作狀態(tài)燈指示?？涩F(xiàn)場設(shè)置初始參數(shù)。故障自動保護。適應(yīng)現(xiàn)有各種型號的機械式、電子式電能表。

集中器負責(zé)各電表用電量數(shù)據(jù)的集中收集，處理和存儲。通過RS485總線與采集模塊通訊，讀取每個采集模塊中存儲的用電量數(shù)據(jù)。每臺集中器最多可管理 256臺電表。經(jīng)RS422總線可與DCS之間進行雙向通訊，接受DCS的各種集中器具有獨立的CPU和非易失性斷電保持存儲器，可存儲當(dāng)前用電量數(shù)據(jù)和歷史用電量數(shù)據(jù)。內(nèi)部有實時時鐘，斷電后繼續(xù)保持走時。故障自動診斷，并將異常狀態(tài)上報DCS?？膳c其他系統(tǒng)(SCADA，MIS)直接進行接口。

DCS通過RS422總線與集中器進行雙向通訊，讀取集中器中存儲的各電表當(dāng)前用電量數(shù)據(jù)和歷史用電量數(shù)據(jù)。用電量數(shù)據(jù)經(jīng)DCS的記錄存儲及分析處理，為有關(guān)部門提供用電狀況的統(tǒng)計分析和管理。每個DCS可管理64個集中器。DCS具有系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置、校時、事件記錄管理、曲線圖形報表打印輸出功能。實時讀取并顯示各電表的用電量數(shù)據(jù)，進行用電量數(shù)據(jù)分析?？膳c其他網(wǎng)絡(luò)接口，將數(shù)據(jù)傳輸給其他系統(tǒng)(SCADA，MIS)供分析處理。專用掌上電腦又稱掌上終端機。當(dāng)掌上電腦安裝上相應(yīng)的軟件后，利用紅外口現(xiàn)場初始化采集模塊，利用紅外口/RS232口現(xiàn)場初始化集中器、抄取數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等，是系統(tǒng)維護的重要工具。筆記本電腦也具有同樣的功能。

2　集抄系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

集抄系統(tǒng)軟件包括DCS軟件、集中器軟件、采集模塊軟件和專用掌上電腦軟件。其中集中器和采集模塊軟件用匯編語言編寫，專用掌上電腦軟件用專用掌上電腦編程語言實現(xiàn)。下面主要介紹DCS集抄系統(tǒng)軟件和集中器中雙串口CPU同時通訊的實現(xiàn)。

2.1　DCS集抄軟件

DCS集抄系統(tǒng)軟件采用Interllution iFox工控組態(tài)軟件，在Windows 95(以上)和Windows NT系統(tǒng)軟件平臺下完成，使用電廠流行的動態(tài)圖形對象和按鍵操作主窗口，類似Excel的表格大量用于數(shù)據(jù)錄入與顯示，美觀簡便的對話框和圖形曲線人機界面設(shè)計，使用戶操作快捷方便。DCS集抄軟件主要包括下列功能：

(1)選擇部分或全部瀏覽各種自動抄表數(shù)據(jù)和實時巡測數(shù)據(jù)。

(2)實時巡測、選抄功能可選擇抄收一個或幾個指定電表的當(dāng)前電量，可選擇不間斷巡測部分或全部電表用戶的實時數(shù)據(jù)。

(3)自動抄表功能可指定自動抄收時間間隔，自動抄收整點數(shù)據(jù)、每隔可選時間間隔的全部電表數(shù)據(jù)、每天指定的幾個抄表時刻的電量數(shù)據(jù)等。

(4)各種報表曲線圖形的打印和完善的操作指南。

(5)系統(tǒng)配置靈活方便可在線任意增刪集中器和采集模塊，修改各種運行參數(shù)和電表用戶信息。

(6)自動故障診斷、事件記錄和信息追憶功能。

(7)多級口令管理，防止非授權(quán)人員操作的功能。

(8)方便多樣的查詢功能。

(9)進行負荷分析，統(tǒng)計各種曲線圖表。

2.2　集中器中雙串口CPU同時通訊的實現(xiàn)

由于集中器要實現(xiàn)和上位機與采集模塊的同時通訊，采用一片具有雙串口的CPU，該CPU具有2個串口和2個串口中斷，串口1中斷處理與上位機的通訊，串口2中斷處理與采集模塊的通訊，串口1中斷設(shè)置為高優(yōu)先級中斷，每接塑到或發(fā)送完一個字節(jié)都進入中斷處理，處理完畢立即退出中斷，通訊波特率都為9 600 b/s，一個起始位和一個停止位。首先要解決時間沖突問題，硬件接受或發(fā)送一個字節(jié)的時間為1 ms左右，而軟件接受或發(fā)送一個字節(jié)的時間僅幾μs，這就為雙串口同時通訊提供了條件。

同時通訊實際上是將CPU時間分成很小的時間片，假設(shè)較快的串口發(fā)送或接受一個字節(jié)的最長時間為TRbyteMax，則CPU最長時間片一般應(yīng)小于TRbyteMax/2，當(dāng)然在接受或發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)之后的間隙，CPU 時間片可以適當(dāng)延長，作一些必要的數(shù)據(jù)處理。

其次要解決數(shù)據(jù)沖突問題，2個串口通訊分別使用各自的接受發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和控制變量，以減少中斷保護數(shù)據(jù)量和防止數(shù)據(jù)沖突。當(dāng)主程序、串口2中斷處理程序和其他中斷處理程序往存儲器(與上位機的通訊用存儲器)中寫數(shù)據(jù)時，需在盡量短的時間內(nèi)關(guān)閉串口 1中斷，關(guān)閉中斷時間應(yīng)小于幾百μs，防止其他程序數(shù)據(jù)沒有寫完之前串口1讀此數(shù)據(jù)。

同時需要注意一些其他問題：盡量采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、對象化編程，使串口通訊程序和其他程序之間、2個串口通訊程序之間相互獨立，以減少發(fā)生錯誤的機會。另外串口通訊中，還要增加通訊超時處理機制，中斷處理中要注意數(shù)據(jù)和程序狀態(tài)的保護，完善出錯處理程序，使用電源監(jiān)測掉電保護硬件和看門狗技術(shù)等。串口通訊數(shù)據(jù)幀中采用高可靠性的循環(huán)冗余校驗(CRC)技術(shù)，極大地降低了數(shù)據(jù)誤碼率，在連續(xù)運行幾個月的大量數(shù)據(jù)中沒有發(fā)現(xiàn)誤碼。

3　結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、對象化的程序設(shè)計方法，硬件冗余設(shè)計和軟硬件自動故障診斷，使系統(tǒng)具有高可靠性和高實時性。系統(tǒng)使用大量報表和動態(tài)圖形曲線，具有友好的人機交互界面。專用掌上電腦可現(xiàn)場初始化，操作簡便、維修快捷。同時具有在線設(shè)置方便、硬件配置靈活多樣、適用范圍廣、通用性好、性能價格比高等特點。已在電廠連續(xù)可靠運行，有很高的抄收成功率，抄收數(shù)據(jù)無誤碼?？蓮V泛應(yīng)用于大中型企業(yè)和電廠，為現(xiàn)代化發(fā)電用電管理提供可靠的數(shù)據(jù)來源。本系統(tǒng)可做進一步改進，針對不同類型的應(yīng)用，在DCS中加入相應(yīng)的統(tǒng)計分析模塊和控制單元，達到自動控 制的目的。

參考文獻

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