串行通信系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

    電力系統(tǒng)運行的安全與否與系統(tǒng)當(dāng)時的運行狀態(tài)有密切的關(guān)系，對于電力調(diào)度部門來說，如果能實時地全面掌握電力系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，對保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行無疑具有十分重要的意義。電力遠(yuǎn)程監(jiān)測一般采用串行方式進(jìn)行通信，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸是其最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。由于工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境以及配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離傳輸，干擾是產(chǎn)生偶然性錯誤和影響整個系統(tǒng)可靠運行的主要原因。提高系統(tǒng)的抗干擾能力是電力遠(yuǎn)程監(jiān)控的一個重要的研究方向。

系統(tǒng)概述

    本系統(tǒng)是一個上下位機(jī)形式的工業(yè)配電測控系統(tǒng)，根據(jù)功能需要，下位機(jī)選用了控制功能比較強(qiáng)大的研華IPC-610工業(yè)控制計算機(jī)(IPC： Industrial Personal Computer)，其具有近二十個ISA插槽和PCI插槽的無源總線底板以及相應(yīng)的CPU板、I/O板等，可以將系統(tǒng)的各個模塊如A/D轉(zhuǎn)換、視頻采集、通信、I/O口輸入輸出等以插卡的形式像搭積木一樣組合起來，方便地擴(kuò)展成一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)。選用了兩塊PC-6313多功能模擬輸入/模擬輸出板卡，配接相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成所承擔(dān)的工作。各下位機(jī)能夠根據(jù)需要對多路模擬量、開關(guān)量進(jìn)行檢測和控制。本系統(tǒng)根據(jù)需要對64路模擬量(電壓、電流、功率因素、有功功率、無功功率等)和16路開關(guān)量(各出線開關(guān)分合閘狀態(tài)、補(bǔ)償電容器的狀態(tài)等)進(jìn)行檢測，可以對16路開關(guān)量進(jìn)行輸出控制(開關(guān)、電磁閥、繼電器)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1  下位機(jī)系統(tǒng)框圖

    上位機(jī)可選普通PC，也可根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境，選擇和下位機(jī)一樣的IPC。上位機(jī)可以發(fā)出指令和任何一臺與之相連的下位機(jī)進(jìn)行通信，收集各下位機(jī)傳送來的模擬量和開關(guān)量信息，進(jìn)行相關(guān)的分析、匯總、報表生成等處理，并對各下位機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和宏觀調(diào)度。

    配電測控系統(tǒng)中，上下位機(jī)距離較遠(yuǎn)，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用了RS-485串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485總線采用差分傳送，具有傳輸距離遠(yuǎn)、接點多、連線少的特點，已成為分布式監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。IPC沒有RS-485接口，為此需配備RS-232/RS-485接口，本系統(tǒng)采用了泓格公司的7250/7521轉(zhuǎn)換器。其中，7521為具有嵌入式CPU的智能通信控制器，可減少系統(tǒng)編程量，提高系統(tǒng)的可靠性和實時性，本系統(tǒng)實際使用的是7521D模塊，7521D模塊上有5個七段數(shù)碼管，可以用程序控制它的亮滅，以監(jiān)視系統(tǒng)的運行。除此之外，7521D和7521功能一樣。后面介紹一律不再區(qū)分7521和7521D。

    本系統(tǒng)通信模塊的連線示意圖如圖2所示，設(shè)計為1臺上位機(jī)控制8臺下位機(jī)，也可根據(jù)配電系統(tǒng)的實際需要進(jìn)行擴(kuò)充。

圖2  具有智能通信模塊的網(wǎng)絡(luò)連線示意圖

7521智能通信控制器簡介

7521功能簡介

    7521是泓格公司的752N智能通信控制器中的一種，可支持一個RS-232設(shè)備。模塊內(nèi)嵌AMD公司的Am188TMES控制器，裝有MiniOS7嵌入式操作系統(tǒng)。可以為RS-485網(wǎng)絡(luò)的任何一個RS-232設(shè)備，分配一個唯一的地址。模塊內(nèi)含雙看門狗電路：一個硬件模塊看門狗和一個軟件主機(jī)看門狗，保護(hù)主機(jī)和7521模塊。同時其RS-485端具有3000V高壓隔離，可有效防止工業(yè)噪聲干擾。

    7520模塊是一個普通的RS-232/RS-485電平轉(zhuǎn)換器，不具有智能通信功能。但其RS-485端同樣具有3000V高壓隔離。在此不再贅述。

7521工作模式

    7521有兩種工作模式，一種是開發(fā)工作模式，一種是正常工作模式。

    在開發(fā)模式時，把7521的COM1口(RS-232)接到PC的串口并通過設(shè)置好通信格式后，7521將把PC的鍵盤作為其標(biāo)準(zhǔn)的輸入，PC的顯示器作為其標(biāo)準(zhǔn)的輸出。在此方式下，可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的配置和用戶程序的下載。

    在正常工作模式時，7521將執(zhí)行由AUTOEXEC.EXE文件中指向的程序。作為智能通信控制器使用時，7521在其FLASH ROM中已經(jīng)預(yù)裝了兩個文件：AUTOEXEC.EXE和7521.EXE，開機(jī)后可由AUTOEXEC.EXE文件自動加載7521.EXE，從而完成智能通信的初始化配置。用戶也可下載自己的應(yīng)用程序到7521中以改變7521的功能。

7521模塊功能命令簡述

    7521的命令分為主控計算機(jī)發(fā)送給模塊的命令和模塊收到命令后的響應(yīng)兩部分。

    發(fā)送部分的命令格式：(前導(dǎo)字符)(地址)(CHK)(CR)，各項分別解釋如下。

①(前導(dǎo)字符）：1個字節(jié)，表明命令的類型。模塊的控制命令通常被分成幾個不同的類型，通過前導(dǎo)字符使用一些特殊字符，如$、#、～等進(jìn)行分類。
②(地址)：兩個字節(jié)，表示命令將送至的模塊。地址范圍為00～FF，因此有256個地址。
③(命令)：1個或多個字節(jié)，指定模塊執(zhí)行的命令。這些命令通常使用不同的數(shù)字來表示不同的功能。
④(CHK)：冗余校驗和(CheckSum),使用程序?qū)⑺袀鬏數(shù)淖址贏SCII對照碼中的地址數(shù)值相加，保留最后的一個字節(jié)，拆成前后兩個字符做為校驗值。
⑤(CR)：Enter鍵，VB中為vbCr，表示命令的結(jié)束。

    7521收到命令后，多數(shù)情況下會返回給主機(jī)一個響應(yīng)字符串。該響應(yīng)字符串格式：(前導(dǎo)字符)(地址)(數(shù)據(jù))(CHK)(CR)

    響應(yīng)字符串(數(shù)據(jù))只與命令字符串格式不同，其余部分均相同。數(shù)據(jù)部分要根據(jù)具體的命令解釋。

    7521有30個實用命令，提供了較為完善的驅(qū)動程序。用戶無須自己編寫通信協(xié)議，只需按操作手冊在主站計算機(jī)上安裝好7521.exe及相關(guān)檔案文件，正確連接計算機(jī)和7521模塊，初始化后即可以開始工作。

上下位機(jī)通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

    雖然RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但在實際使用過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境的惡劣、電磁干擾等情況，仍然會影響通信的可靠性，最典型的問題便是數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)誤碼，嚴(yán)重的可能出現(xiàn)死機(jī)。因此，采取必要的提高可靠性和抗干擾能力的措施是十分重要的。在本系統(tǒng)中，從硬件線路和軟件設(shè)計兩方面進(jìn)行了抗干擾設(shè)計。

系統(tǒng)通信硬件抗干擾措施

    在硬件線路上，主要是從隔離、接口標(biāo)準(zhǔn)及布線等方面加以考慮：

(1)本系統(tǒng)的RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，同時采用屏蔽的雙絞線，抗噪聲干擾性能較好。
(2)通信過程中，由于阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配，可能會導(dǎo)致信號反射，影響信號的傳輸距離。雙絞線的特性阻抗一般在110～130Ω之間，本系統(tǒng)在傳輸線末端接了一個120Ω的匹配阻抗以消除信號反射。
(3)本系統(tǒng)選用的7520/7521都是具有3000V隔離的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換接口，如圖3所示。

圖3  7520/7521模塊內(nèi)部電路示意圖

    由圖3可看出，RS-485端和電源端同處一個區(qū)域，RS-485端使用的是接入電源。RS-232端則是模塊內(nèi)部經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電源，電源在轉(zhuǎn)換前后有3000V的隔離措施。由于噪聲的來源大多來自電源端，強(qiáng)大的噪聲會循著電源線進(jìn)入模塊內(nèi)部，但只要此干擾在保護(hù)范圍內(nèi)，即可保證RS-232端的設(shè)備不被損壞，從而達(dá)到保護(hù)主控計算機(jī)的目的。

    7521的保護(hù)原理和7520一樣，可以保護(hù)下位計算機(jī)不受RS-485網(wǎng)絡(luò)中的噪聲干擾。

系統(tǒng)通信軟件抗干擾措施

    在實際系統(tǒng)設(shè)計中，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，離不開硬件和軟件的協(xié)調(diào)工作。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在軟件設(shè)計時也必須采取一定的措施。

(1)7521智能通信控制器具有CheckSum校驗功能。在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用累加和校驗方式，可大大降低了數(shù)據(jù)傳輸出錯率。CheckSum的計算方法如圖4和圖5所示。

圖4  輸出命令時的累加和校驗流程

圖5  檢查返回結(jié)果的累加和校驗流程

    例如發(fā)送的命令字符串是$012[Enter]，分別將前導(dǎo)字符($)、地址(01)、命令(2)三者的ASCII值相加，結(jié)果如下：

CheckSum=0×24＋0×30＋0×31＋0×32＝0×B7

    結(jié)果最后的兩個字符為“B”和“7”，將它們并在發(fā)送命令的后面、[Enter]的前面，最后發(fā)送的字符串為$012B7[Enter]，如此就完成了一個帶有CheckSum的命令字符串。

    當(dāng)主機(jī)使用CheckSum的方式將命令發(fā)送時，必須先行計算此CheckSum的數(shù)值，接收到命令的模塊也會將所接收到的字符串再進(jìn)行一次CheckSum的計算，當(dāng)二者的結(jié)果一致時，此次的傳輸便被認(rèn)為是正確的；如果二者的結(jié)果不一致時，模塊會返回相應(yīng)的錯誤信息。

    同樣的，主機(jī)在CheckSum激活的情況下接收模塊返回的字符串時，也必須對Checksum的值進(jìn)行校驗，以確認(rèn)傳輸過程的正確性。

    7521出廠設(shè)置為不激活CheckSum。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，本系統(tǒng)設(shè)計為激活CheckSum，可用命令$AAKN激活。

(2)7521模塊包含兩種看門狗機(jī)制。第一種機(jī)制是監(jiān)測7521模塊的硬件看門狗，它屬于硬件重置線路，開機(jī)后自動運行，其看門狗定時時間為1.6s。此線路會監(jiān)視模塊的操作狀況，當(dāng)模塊處于惡劣的工作環(huán)境下而導(dǎo)致工作不正常時，此監(jiān)視線路會使模塊自動復(fù)位。系統(tǒng)正常工作時，應(yīng)至少在1.6s內(nèi)“喂狗”一次，以避免復(fù)位。若7521復(fù)位，可發(fā)送“$AA5”命令使其恢復(fù)正常。其流程如圖6所示。

圖6  7521硬件看門狗復(fù)位后處理辦法

    第二種機(jī)制是軟件主機(jī)看門狗。軟件主機(jī)看門狗可以監(jiān)測主機(jī)的狀態(tài)。如果主機(jī)死機(jī)，所有的7521輸出模塊將回到它們預(yù)設(shè)的安全模式進(jìn)行安全保護(hù)。主機(jī)正常運行時，每隔一段時間應(yīng)該發(fā)送一條“主機(jī)正常”的命令以避免看門狗復(fù)位。其流程如圖7所示

圖7  軟件主機(jī)看門狗流程

實驗測試數(shù)據(jù)及分析

    根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和實驗室條件，進(jìn)行了串行通信數(shù)據(jù)的測試，如表1所示。

    從以上分析結(jié)果可以看出，在RS-485串行通信系統(tǒng)中加入智能通信控制器具有的CheckSum校驗和看門狗機(jī)制，可以有效地降低串行通信的誤碼率，提高通信數(shù)據(jù)的成功率。系統(tǒng)的抗干擾能力有了較大提高。

結(jié)束語

    本系統(tǒng)從硬件和軟件兩個方面做了較完善的抗干擾設(shè)計，由于智能通信控制器自帶CheckSum校驗和軟硬件看門狗功能，只需要相應(yīng)的命令激活即可。減少了硬件成本和軟件工作量，系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性增強(qiáng)。實驗證明，本系統(tǒng)具有較好的實時性和可靠性，數(shù)據(jù)誤碼率非常低。再輔以軟件濾波和冗余校驗等措施，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。因此本文對同類設(shè)計具有一定的理論和實踐參考價值。