單片機(jī)組成的集散控制系統(tǒng)中雙串口同時(shí)通訊的實(shí)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(jì)

該系統(tǒng)中有單相、三相、機(jī)械式和電子式等各種型號(hào)電能表，要求實(shí)時(shí)、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(chǎng)條件，連續(xù)運(yùn)行、操作簡(jiǎn)便、維修快捷。硬件系統(tǒng)要具有通用性、可擴(kuò)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(jì)中，重點(diǎn)考慮了以下因素：實(shí)時(shí)性、高可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性、通用性、可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)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(tái)，因此采用DCS作為主站，也可采用單獨(dú)的上位機(jī)來(lái)管理。DCS中采用了雙前置機(jī)熱后備的冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，2臺(tái)前置機(jī)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(jī)，進(jìn)行電量分析，負(fù)荷管理，并具有圖形、曲線、報(bào)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(gè)，如直接連入DCS，則測(cè)點(diǎn)太多，因此在DCS和采集模塊之間增加一級(jí)數(shù)據(jù)集中器(簡(jiǎn)稱集中器)，將一個(gè)集中器作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，減輕DCS的負(fù)擔(dān)和大幅度降低成本，提高了系統(tǒng)的性能價(jià)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(jìn)行雙向通訊。集中器不斷巡測(cè)采集模塊，以統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)各種用電數(shù)據(jù)，同時(shí)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(shí)通訊的能力。集中器中采用一片具有雙串口的CPU(DS80C320)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙串口同時(shí)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(guò)檢測(cè)機(jī)械式電表表盤(pán)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?cè)须姳淼恼w結(jié)構(gòu)和計(jì)量精度。

采集模塊具有獨(dú)立的CPU和非易失性斷電保持存儲(chǔ)器及工作狀態(tài)燈指示?？涩F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置初始參數(shù)。故障自動(dòng)保護(hù)。適應(yīng)現(xiàn)有各種型號(hào)的機(jī)械式、電子式電能表。

集中器負(fù)責(zé)各電表用電量數(shù)據(jù)的集中收集，處理和存儲(chǔ)。通過(guò)RS485總線與采集模塊通訊，讀取每個(gè)采集模塊中存儲(chǔ)的用電量數(shù)據(jù)。每臺(tái)集中器最多可管理 256臺(tái)電表。經(jīng)RS422總線可與DCS之間進(jìn)行雙向通訊，接受DCS的各種集中器具有獨(dú)立的CPU和非易失性斷電保持存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)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(shí)時(shí)時(shí)鐘，斷電后繼續(xù)保持走時(shí)。故障自動(dòng)診斷，并將異常狀態(tài)上報(bào)DCS?？膳c其他系統(tǒng)(SCADA，MIS)直接進(jìn)行接口。

DCS通過(guò)RS422總線與集中器進(jìn)行雙向通訊，讀取集中器中存儲(chǔ)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(chǔ)及分析處理，為有關(guān)部門提供用電狀況的統(tǒng)計(jì)分析和管理。每個(gè)DCS可管理64個(gè)集中器。DCS具有系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、校時(shí)、事件記錄管理、曲線圖形報(bào)表打印輸出功能。實(shí)時(shí)讀取并顯示各電表的用電量數(shù)據(jù)，進(jìn)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(jī)。當(dāng)掌上電腦安裝上相應(yīng)的軟件后，利用紅外口現(xiàn)場(chǎng)初始化采集模塊，利用紅外口/RS232口現(xiàn)場(chǎng)初始化集中器、抄取數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等，是系統(tǒng)維護(hù)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(jì)與實(shí)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(yǔ)言編寫(xiě)，專用掌上電腦軟件用專用掌上電腦編程語(yǔ)言實(shí)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(shí)通訊的實(shí)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(tái)下完成，使用電廠流行的動(dòng)態(tài)圖形對(duì)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(jiǎn)便的對(duì)話框和圖形曲線人機(jī)界面設(shè)計(jì)，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(dòng)抄表數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)巡測(cè)數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)時(shí)巡測(cè)、選抄功能可選擇抄收一個(gè)或幾個(gè)指定電表的當(dāng)前電量，可選擇不間斷巡測(cè)部分或全部電表用戶的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

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

(4)各種報(bào)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(yùn)行參數(shù)和電表用戶信息。

(6)自動(dòng)故障診斷、事件記錄和信息追憶功能。

(7)多級(jí)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(jìn)行負(fù)荷分析，統(tǒng)計(jì)各種曲線圖表。

2.2　集中器中雙串口CPU同時(shí)通訊的實(shí)現(xiàn)

由于集中器要實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)與采集模塊的同時(shí)通訊，采用一片具有雙串口的CPU，該CPU具有2個(gè)串口和2個(gè)串口中斷，串口1中斷處理與上位機(jī)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(jí)中斷，每接塑到或發(fā)送完一個(gè)字節(jié)都進(jìn)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(gè)起始位和一個(gè)停止位。首先要解決時(shí)間沖突問(wèn)題，硬件接受或發(fā)送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間為1 ms左右，而軟件接受或發(fā)送一個(gè)字節(jié)的時(shí)間僅幾μs，這就為雙串口同時(shí)通訊提供了條件。

同時(shí)通訊實(shí)際上是將CPU時(shí)間分成很小的時(shí)間片，假設(shè)較快的串口發(fā)送或接受一個(gè)字節(jié)的最長(zhǎng)時(shí)間為TRbyteMax，則CPU最長(zhǎng)時(shí)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(shí)間片可以適當(dāng)延長(zhǎng)，作一些必要的數(shù)據(jù)處理。

其次要解決數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題，2個(gè)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(hù)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(chǔ)器(與上位機(jī)的通訊用存儲(chǔ)器)中寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，需在盡量短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉串口 1中斷，關(guān)閉中斷時(shí)間應(yīng)小于幾百μs，防止其他程序數(shù)據(jù)沒(méi)有寫(xiě)完之前串口1讀此數(shù)據(jù)。

同時(shí)需要注意一些其他問(wèn)題：盡量采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、對(duì)象化編程，使串口通訊程序和其他程序之間、2個(gè)串口通訊程序之間相互獨(dú)立，以減少發(fā)生錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。另外串口通訊中，還要增加通訊超時(shí)處理機(jī)制，中斷處理中要注意數(shù)據(jù)和程序狀態(tài)的保護(hù)，完善出錯(cuò)處理程序，使用電源監(jiān)測(cè)掉電保護(hù)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(yàn)(CRC)技術(shù)，極大地降低了數(shù)據(jù)誤碼率，在連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)月的大量數(shù)據(jù)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)誤碼。

3　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化、對(duì)象化的程序設(shè)計(jì)方法，硬件冗余設(shè)計(jì)和軟硬件自動(dòng)故障診斷，使系統(tǒng)具有高可靠性和高實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)使用大量報(bào)表和動(dòng)態(tài)圖形曲線，具有友好的人機(jī)交互界面。專用掌上電腦可現(xiàn)場(chǎng)初始化，操作簡(jiǎn)便、維修快捷。同時(shí)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(jià)格比高等特點(diǎn)。已在電廠連續(xù)可靠運(yùn)行，有很高的抄收成功率，抄收數(shù)據(jù)無(wú)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(lái)源。本系統(tǒng)可做進(jìn)一步改進(jìn)，針對(duì)不同類型的應(yīng)用，在DCS中加入相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析模塊和控制單元，達(dá)到自動(dòng)控 制的目的。

參考文獻(xiàn)

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