串行通信系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

    電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全與否與系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)有密切的關(guān)系，對(duì)于電力調(diào)度部門(mén)來(lái)說(shuō)，如果能實(shí)時(shí)地全面掌握電力系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，對(duì)保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行無(wú)疑具有十分重要的意義。電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(cuò)誤和影響整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)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(gè)重要的研究方向。

系統(tǒng)概述

    本系統(tǒng)是一個(gè)上下位機(jī)形式的工業(yè)配電測(cè)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(jì)算機(jī)(IPC： Industrial Personal Computer)，其具有近二十個(gè)ISA插槽和PCI插槽的無(wú)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(gè)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(lái)，方便地?cái)U(kuò)展成一個(gè)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(lái)完成所承擔(dān)的工作。各下位機(jī)能夠根據(jù)需要對(duì)多路模擬量、開(kāi)關(guān)量進(jìn)行檢測(cè)和控制。本系統(tǒng)根據(jù)需要對(duì)64路模擬量(電壓、電流、功率因素、有功功率、無(wú)功功率等)和16路開(kāi)關(guān)量(各出線開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)、補(bǔ)償電容器的狀態(tài)等)進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)16路開(kāi)關(guān)量進(jìn)行輸出控制(開(kāi)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(tái)與之相連的下位機(jī)進(jìn)行通信，收集各下位機(jī)傳送來(lái)的模擬量和開(kāi)關(guān)量信息，進(jìn)行相關(guān)的分析、匯總、報(bào)表生成等處理，并對(duì)各下位機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和宏觀調(diào)度。

    配電測(cè)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(diǎn)多、連線少的特點(diǎn)，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(méi)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(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)實(shí)際使用的是7521D模塊，7521D模塊上有5個(gè)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(yùn)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(jì)為1臺(tái)上位機(jī)控制8臺(tái)下位機(jī)，也可根據(jù)配電系統(tǒng)的實(shí)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(jiǎn)介

7521功能簡(jiǎn)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(gè)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)?？梢詾镽S-485網(wǎng)絡(luò)的任何一個(gè)RS-232設(shè)備，分配一個(gè)唯一的地址。模塊內(nèi)含雙看門(mén)狗電路：一個(gè)硬件模塊看門(mén)狗和一個(gè)軟件主機(jī)看門(mén)狗，保護(hù)主機(jī)和7521模塊。同時(shí)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(gè)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(kāi)發(fā)工作模式，一種是正常工作模式。

    在開(kāi)發(fā)模式時(shí)，把7521的COM1口(RS-232)接到PC的串口并通過(guò)設(shè)置好通信格式后，7521將把PC的鍵盤(pán)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(shí)，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(shí)，7521在其FLASH ROM中已經(jīng)預(yù)裝了兩個(gè)文件：AUTOEXEC.EXE和7521.EXE，開(kāi)機(jī)后可由AUTOEXEC.EXE文件自動(dòng)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(jiǎn)述

    7521的命令分為主控計(jì)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(xiàng)分別解釋如下。

①(前導(dǎo)字符）：1個(gè)字節(jié)，表明命令的類型。模塊的控制命令通常被分成幾個(gè)不同的類型，通過(guò)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(gè)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(gè)地址。
③(命令)：1個(gè)或多個(gè)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(lái)表示不同的功能。
④(CHK)：冗余校驗(yàn)和(CheckSum),使用程序?qū)⑺袀鬏數(shù)淖址贏SCII對(duì)照碼中的地址數(shù)值相加，保留最后的一個(gè)字節(jié)，拆成前后兩個(gè)字符做為校驗(yàn)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(huì)返回給主機(jī)一個(gè)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(gè)實(shí)用命令，提供了較為完善的驅(qū)動(dòng)程序。用戶無(wú)須自己編寫(xiě)通信協(xié)議，只需按操作手冊(cè)在主站計(jì)算機(jī)上安裝好7521.exe及相關(guān)檔案文件，正確連接計(jì)算機(jī)和7521模塊，初始化后即可以開(kāi)始工作。

上下位機(jī)通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

    雖然RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的惡劣、電磁干擾等情況，仍然會(huì)影響通信的可靠性，最典型的問(wèn)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(jì)兩方面進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)。

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(dòng)器和差分接收器的組合，同時(shí)采用屏蔽的雙絞線，抗噪聲干擾性能較好。
(2)通信過(guò)程中，由于阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，影響信號(hào)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(gè)120Ω的匹配阻抗以消除信號(hào)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(gè)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(lái)源大多來(lái)自電源端，強(qiáng)大的噪聲會(huì)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(jì)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(jì)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(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，離不開(kāi)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(jì)時(shí)也必須采取一定的措施。

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

圖4  輸出命令時(shí)的累加和校驗(yàn)流程

圖5  檢查返回結(jié)果的累加和校驗(yàn)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(gè)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(gè)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(shí)，必須先行計(jì)算此CheckSum的數(shù)值，接收到命令的模塊也會(huì)將所接收到的字符串再進(jìn)行一次CheckSum的計(jì)算，當(dāng)二者的結(jié)果一致時(shí)，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(shí)，模塊會(huì)返回相應(yīng)的錯(cuò)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(shí)，也必須對(duì)Checksum的值進(jìn)行校驗(yàn)，以確認(rèn)傳輸過(guò)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(jì)為激活CheckSum，可用命令$AAKN激活。

(2)7521模塊包含兩種看門(mén)狗機(jī)制。第一種機(jī)制是監(jiān)測(cè)7521模塊的硬件看門(mén)狗，它屬于硬件重置線路，開(kāi)機(jī)后自動(dòng)運(yùn)行，其看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間為1.6s。此線路會(huì)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(shí)，此監(jiān)視線路會(huì)使模塊自動(dòng)復(fù)位。系統(tǒng)正常工作時(shí)，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(mén)狗復(fù)位后處理辦法

    第二種機(jī)制是軟件主機(jī)看門(mén)狗。軟件主機(jī)看門(mén)狗可以監(jiān)測(cè)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(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間應(yīng)該發(fā)送一條“主機(jī)正?！钡拿钜员苊饪撮T(mén)狗復(fù)位。其流程如圖7所示

圖7  軟件主機(jī)看門(mén)狗流程

實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

    根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室條件，進(jìn)行了串行通信數(shù)據(jù)的測(cè)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(yàn)和看門(mén)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(yǔ)

    本系統(tǒng)從硬件和軟件兩個(gè)方面做了較完善的抗干擾設(shè)計(jì)，由于智能通信控制器自帶CheckSum校驗(yàn)和軟硬件看門(mén)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(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)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(yàn)等措施，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。因此本文對(duì)同類設(shè)計(jì)具有一定的理論和實(shí)踐參考價(jià)值。