接口協(xié)議精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇接口協(xié)議范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

CPU的選擇方面，選用ADI公司專為要求低功耗工作的電池供電應(yīng)用而推出的超低功耗精密模擬微控制器ADuCM361。工作電壓為1.8V～3.6V，最低耗電電流4μA。內(nèi)部集成了8通道24位ADC、可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、可編程電流源、靈活的多路復(fù)用器以及其它許多特性，省去了傳統(tǒng)單片機系統(tǒng)信號放大、AD轉(zhuǎn)換等常用電路，提高了系統(tǒng)集成度降低了功耗。ADuCM361內(nèi)核為32位低功耗ARMCortex－M3處理器。內(nèi)部集成128k字節(jié)非易失性flash/EE存儲器、8k字節(jié)SRAM，以及一個支持有線(2xSPI、UART、)通信外設(shè)的11通道DMA控制器。HART變送器所有數(shù)字功能均由該處理器提供，靈活的時鐘源可使器件的功耗達到最低，5種低功耗工作模式可以通過程序控制任意配置，并且一個中斷事件可將系統(tǒng)從各種工作模式中迅速喚醒。由ADuCM361、AD5421和AD5700構(gòu)成的HART物理層具體電路圖如圖2所示。AD5700與ADuCM361的UART通用串行接口信號包括來自UART的HART調(diào)制輸入TXD、HART解調(diào)輸出RXD、請求發(fā)送RTS————和載波檢測CD;Loop+、Loop－分別接4mA－20mA電流環(huán)的正負;HART輸出引腳HART_OUT通過容性分壓器0.068μF/0.22μF調(diào)整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出，一同驅(qū)動和調(diào)制輸出電流;被耦合到LOOP+端的HART信號通過一個簡單的有源RC濾波器輸入到AD5700的ADC_IP引腳;DVDD為AD5421對外部提供的3.3V供電電壓;AD5700通過一個RC濾波器(470Ω/1μF)供電，防止AD5700的電流噪聲與4mA－20mA環(huán)路輸出進行耦合;HART調(diào)制解調(diào)器的時鐘由與XTAL1和XTAL2引腳直接相連的3.6864MHz外部晶振產(chǎn)生。

2HART協(xié)議通信軟件設(shè)計

HART通信接口的軟件設(shè)計包括AD5421的控制程序和HART協(xié)議通信程序。AD5421的控制程序主要是對環(huán)路電流4mA－20mA輸出的控制和系統(tǒng)供電電壓+3.3V輸出的控制，較為簡單。HART協(xié)議通信程序即為HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(xiàn)。HART協(xié)議通信遵從主從方式半雙工通信，變送器作為從設(shè)備，除了處于突發(fā)模式外，只有在接收到主設(shè)備(上位機或手操器)發(fā)來的命令后才會作出應(yīng)答。為了能及時接收到主設(shè)備發(fā)送的命令而又不影響主程序的正常運行，HART協(xié)議通信程序主要由串口接收發(fā)送中斷實現(xiàn)。變送器在上電或看門狗復(fù)位后，首先主程序?qū)ART協(xié)議通信部分進行初始化配置，包括設(shè)定ADuCM361內(nèi)部UART模塊工作方式、串行通信波特率、數(shù)據(jù)幀格式、清通信緩沖區(qū)、中斷等，之后將其設(shè)置為等待狀態(tài)，等待狀態(tài)下，一旦上位機有命令發(fā)來，AD5700的載波檢測口CD變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)中斷，啟動接收并關(guān)閉載波檢測中斷，程序進入接收部分。命令幀數(shù)據(jù)接收完畢，經(jīng)ADuCM361做出相應(yīng)處理后，把要發(fā)回的應(yīng)答幀內(nèi)容放入通信緩沖區(qū)中，觸發(fā)中斷，進入發(fā)送程序，發(fā)回應(yīng)答幀，由此完成一次命令的交換，然后再次進入等待狀態(tài)，等待下一條主機命令。HART協(xié)議通信接口通過圖3所示的中斷調(diào)用子程序的方法，完成現(xiàn)場儀表和主機之間的通信，可以使主機完成對現(xiàn)場儀表的工作參數(shù)設(shè)置、測量結(jié)果讀取、儀表狀態(tài)檢測等工作。

3應(yīng)用效果

圖4所示為HART變送器連線圖，采樣電阻RL(取值300Ω)串接于4mA－20mA回路中，將電流信號和HART信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過RS232HART轉(zhuǎn)換器與上位機通信。上位機軟件采用第三方HART通信軟件，測試結(jié)果表明可進行點對點HART通信，并能實現(xiàn)所支持的各條HART命令，在4mA－20mAHART總線上再接入一塊第三方的HART渦輪流量計，也能正確進行多點HART通信，完全達到了HART協(xié)議技術(shù)要求。

4結(jié)束語

篇(2)

關(guān)鍵詞：ARM；現(xiàn)場總線；ModBus協(xié)議；電平轉(zhuǎn)換；驅(qū)動程序

中圖分類號：TP368.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）19-4429-04

隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從現(xiàn)場設(shè)備到控制、管理、驅(qū)動、開發(fā)的各個層次。而其中的現(xiàn)場總線技術(shù)是其主要的組成部分，直接關(guān)系到工業(yè)控制集成系統(tǒng)性能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

現(xiàn)場總線是一種連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字化、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的串行通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線的關(guān)鍵標(biāo)志是能夠支持雙向、多節(jié)點、總線式的全數(shù)字通信。

本設(shè)計的主要工作是采用基于ARM7內(nèi)核的高性能處理器LPC2131作為主控芯片，并使用了專用的總線協(xié)議芯片AD2483，實現(xiàn)ModBus現(xiàn)場設(shè)備與異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換。該協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊介紹

1.1 模塊工作原理

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的功能是完成現(xiàn)場ModBus設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和數(shù)字化處理，并將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果通過異構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)部總線傳送到上層控制系統(tǒng)。同時實現(xiàn)上層控制系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的控制與配置。

該模塊采用RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片，該芯片自帶電氣信號隔離，信號調(diào)理技術(shù)。該模塊提供通信檢測顯示功能，可提供獨立隔離的24VDC供電電源輸出，用于現(xiàn)場ModBus設(shè)備的工作電源。圖2為模塊系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

1.2 ModBus通訊規(guī)約

在各種不同的系統(tǒng)通信中，ModBus協(xié)議是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的、真正開放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通過該協(xié)議，不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

ModBus可編程控制器之間可以相互通訊，也可與不同網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進行通訊。網(wǎng)絡(luò)信息存取可由控制器內(nèi)置的端口，網(wǎng)絡(luò)適配器和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備實現(xiàn)。該協(xié)議定義了控制器能識別和使用的信息結(jié)構(gòu)。當(dāng)在ModBus網(wǎng)絡(luò)上進行通訊時，協(xié)議能使每一臺控制器知道它本身的設(shè)備地址，并識別對它尋址的數(shù)據(jù)，決定應(yīng)起作用的類型，取出包含在信息中的數(shù)據(jù)和資料等，控制器也可組織回答信息，并使用ModBus協(xié)議將此信息傳送出去。

在其他網(wǎng)絡(luò)上使用時，數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)幀中也包含著ModBus協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)控制器中有相應(yīng)的應(yīng)用程序庫和驅(qū)動程序，實現(xiàn)嵌入式ModBus協(xié)議信息與此網(wǎng)絡(luò)中用子節(jié)點設(shè)備間通訊的特殊信息幀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

ModBus采用主從方式，若一臺控制器作為主機設(shè)備發(fā)送一個信息，則可從一臺從機設(shè)備返回一個響應(yīng)，類似，當(dāng)一臺控制器接受信息時，它就組織一個從機設(shè)備的響應(yīng)信息，并返回至原來發(fā)送信息的控制器。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源電路

電源電路模塊主要對模塊的電源部分進行處理，將工控行業(yè)普遍采用的直流24VDC的輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槟KCPU需要的5VDC和3.3VDC，同時進行EMC防護。該模塊在輸入電壓出增加了防雷擊浪涌電路和支持熱插拔電路，使用的主要器件是LT4356-1。電源電路圖如圖3：

LT4356-1浪涌抑制器可保護負載免遭高電壓瞬變的損壞。它能夠通過控制一個外部N溝道MOSFET的柵極以在過壓過程中調(diào)節(jié)輸出。輸出被限制在一個安全的數(shù)值上，從而允許負載繼續(xù)運行。LT4356-1還監(jiān)視VCC和SNS引腳之間的電壓降，以防止遭受過流故障的影響。一個內(nèi)部放大器用于把電流檢測電壓限制為50mV。

2.2 主控電路

微控制器電路為ARM控制器的可靠穩(wěn)定工作提供硬件環(huán)境，包括ARM控制器的時鐘電路、復(fù)位電路等部分。復(fù)位電路采用上電復(fù)位方式，并且備有按鍵復(fù)位操作，方便用戶調(diào)試使用。

2.3 電平轉(zhuǎn)換電路

電路完成現(xiàn)場485信號與控制器LPC2131之間的電平轉(zhuǎn)換功能。圖4是RS-485轉(zhuǎn)換電路。

RS-485轉(zhuǎn)換電路采用485轉(zhuǎn)換芯片ADM2483。

ADM2483是ADI（Analog device，inc）公司推出的基于其專利iCoupler磁隔離技術(shù)的隔離型RS-485收發(fā)芯片。內(nèi)部集成了三通道的數(shù)字隔離器、帶三態(tài)輸出的差分驅(qū)動器和一個帶三態(tài)輸入的RS485差分接收器。節(jié)點數(shù)可允許多達256個，最高傳輸速率可達500Kbps。 iCoupler磁隔離技術(shù)是ADI公司的一項專利隔離技術(shù)，是一種基于芯片尺寸的變壓器隔離技術(shù)，它采用了高速CMOS工藝和芯片級的變壓器技術(shù)。所以，在性能、功耗、體積等各方面都有傳統(tǒng)光電隔離器件（光耦）無法比擬的優(yōu)勢。ADM2483采用具有短路電流限制的限擺率驅(qū)動器，較低擺率降低了不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配和接頭產(chǎn)生的誤碼。集成的熱關(guān)斷電路可將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。

3 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊需要系統(tǒng)初始化，初始化操作主要完成系統(tǒng)各個軟件模塊的準(zhǔn)備工作已經(jīng)相應(yīng)接口的驅(qū)動程序。之后要進行寫入指令和寫入數(shù)據(jù)的步驟。

整個軟件結(jié)構(gòu)由幾個主要的軟件的模塊組成，分別是main（）函數(shù)，get_order（）函數(shù)和exchange（）函數(shù)。

3.1 main（）函數(shù)設(shè)計說明

該函數(shù)為整個軟件架構(gòu)的主函數(shù)，在進入主函數(shù)之前，由編譯器自動加載了硬件的堆棧和中斷向量配置文件。當(dāng)配置完成后，程序自動跳入主函數(shù)開始執(zhí)行。主函數(shù)的代碼為順序執(zhí)行，模塊除數(shù)據(jù)通信功能的其他所有功能都在主函數(shù)中實現(xiàn)，圖5是主函數(shù)的程序流程圖。

3.2 get_order（）函數(shù)設(shè)計說明

get_order（）函數(shù)作用是將異構(gòu)系統(tǒng)總線收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到ModBus發(fā)送緩沖區(qū)中準(zhǔn)備發(fā)送給現(xiàn)場的ModBus設(shè)備。在轉(zhuǎn)換時要嚴格按照標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU格式進行。圖6是該函數(shù)的程序流程圖。

3.3 exchange（）函數(shù)設(shè)計說明

exchange（）函數(shù)作用與get_order（）函數(shù)剛好相反，exchange（）函數(shù)將現(xiàn)場ModBus設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)按照異構(gòu)系統(tǒng)總線協(xié)議方式存入到主控制器中。

4 結(jié)論

本文通過基于ARM內(nèi)核的高速微處理器LPC2131的ModBus協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊進行介紹，在此基礎(chǔ)上完成了硬件設(shè)計與軟件搭建，通過編寫控制器軟件程序?qū)崿F(xiàn)了現(xiàn)場ModBus設(shè)備與異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和電平轉(zhuǎn)換。實踐結(jié)果表明，該設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定可靠，軟件開發(fā)周期短，滿足現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)通信以及協(xié)議接口驅(qū)動的需要。

參考文獻：

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篇(3)

關(guān)鍵詞：網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)施農(nóng)業(yè)

在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對設(shè)施農(nóng)業(yè)進行升級，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平，實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)，比如在遠程就可實時監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度、光照等情況，可實現(xiàn)天窗開閉、風(fēng)機運行和水簾降溫等程序的遠程控制或自動控制。在實施物聯(lián)網(wǎng)過程種也存在一些問題：1）在物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)體系中，包含傳感器的感知層的信息種類較大，比如有溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等，傳感器的類型較多，它們的接口和協(xié)議也是多種多樣，比如模擬接口、RS485接口、ZigBee接口；2）不同類型的通信技術(shù)都只能各自組網(wǎng)，通信的接收端必須有對應(yīng)通信發(fā)送端的接收器才能完成數(shù)據(jù)通信，因此控制中心的計算機需要連接不同的接收器接入不同的傳感器的網(wǎng)絡(luò)，還需要解析不同的協(xié)議；3）傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，比如Zigbee、RS485等屬于近距離通信，如果要傳輸數(shù)據(jù)到遠程服務(wù)器，就需要增加設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換；4）大量傳感器接入到服務(wù)器，會增加服務(wù)器的負擔(dān)，需要更高性能的服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵節(jié)點設(shè)備，是物聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)備，具有網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交換等功能，使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以簡化物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計和實施，可以解決上述問題。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能配置

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

本方案的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，由上行通信接口、下行通信接口、主控模塊等部分組成（見圖1）。1）上行通信接口，連接遠程服務(wù)器（云端系統(tǒng)）、用戶終端，在硬件上主要包括上行通信模塊、接口電路，在軟件上主要包括模塊驅(qū)動程序、上行通信協(xié)議處理程序。2）下行通信接口，連接傳感器、控制器等設(shè)備終端，在硬件上主要包括下行通信模塊、接口電路，在軟件上主要包括模塊驅(qū)動程序、下行通信協(xié)議處理程序。3）主控模塊是網(wǎng)關(guān)的核心部分，在硬件上由高級單片機和外圍接口電路構(gòu)成，在軟件上主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序、協(xié)議轉(zhuǎn)換程序等。上行接口主要是連接遠程服務(wù)，需要使用遠程通信技術(shù)，主要包括Internet通信、移動通信等。上行通信模塊主要包括用于接入Internet網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)通信模塊、WiFi通信模塊，用于接入移動通信網(wǎng)絡(luò)的GPRS通信模塊、4G通信模塊、NB-IOT通信模塊等。下行接口主要是連接傳感器和控制器，一般使用的是短距離通信技術(shù)，主要包括RS485、ZigBee、WiFi、LoRa等；而對于4～20mA等模擬量的設(shè)備，并不直接接入網(wǎng)關(guān)，需要一個變送器或采集器進行轉(zhuǎn)換，以數(shù)字通信的方式接入到網(wǎng)關(guān)。下行通信模塊主要包括RS485通信模塊、ZigBee通信模塊、WiFi通信模塊、Lora通信模塊等。主控模塊通過UART、SPI、I2C等接口和上行通信模塊、下行通信模塊連接，通信模塊由主控模塊進行配置和控制。網(wǎng)關(guān)的工作原理如下：網(wǎng)關(guān)通過WiFi或RS485等下行通信接口連接到傳感器終端或風(fēng)機、遮陽等控制器，通過WiFi或以太網(wǎng)等上行通信接口接入到Internet網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)連接遠程服務(wù)器；服務(wù)器的數(shù)據(jù)或指令通過上行接口傳輸?shù)街骺啬K，主控模塊根據(jù)上行通信協(xié)議取出數(shù)據(jù)后，進行處理，根據(jù)下行協(xié)議重新打包，經(jīng)下行通信接口轉(zhuǎn)發(fā)到傳感器終端、控制器；傳感器終端、控制器的數(shù)據(jù)，由下行接口上傳到主控模塊經(jīng)處理后轉(zhuǎn)發(fā)到上行接口，傳輸?shù)竭h程服務(wù)器。在此過程中，網(wǎng)關(guān)完成了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

1.2系統(tǒng)功能配置

本方案的網(wǎng)關(guān)功能配置如下：1）上行接口：具有1個WiFi接口、1個以太網(wǎng)接口，支持TCP/UDP、HTTP通信協(xié)議，采用Client工作模式，可通過上行接口連接遠程服務(wù)器。2）下行接口：具有1個RS485接口，半雙工、波特率可配置、主站工作模式，支持Modbus通信協(xié)議；具有1個WiFi接口，主站工作模式，支持TCP/UDP、Modbus通信協(xié)議，可通過下行接口接入傳感器或控制器。3）工作電壓：DC5V；4）指示燈：電源指示燈、通信指示燈、狀態(tài)指示燈。

2硬件和軟件的設(shè)計

本方案的網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計，通信模塊直接選用市面上已有的通信模塊，需要根據(jù)選定的具體通信模塊設(shè)計接口電路、編寫模塊驅(qū)動程序。

2.1硬件設(shè)計

2.1.1主控模塊主控模塊以32位高級單片機STM32F407ZG為控制核心，該單片機使用3.3VDC工作電源，具有1024kB的flashROM、192kB的RAM，并支持通過FSMC接口擴展RAM，具有3個I2C接口、6個UART接口、2個SPI接口、1個SDIO接口，內(nèi)部RTC模塊。

2.1.2上行通信接口上行通信模塊主要包括1個WiFi通信、1個以太網(wǎng)通信模塊。其中WiFi通信模塊使用ESP8266通信模塊，通過UART連接到主控模塊的UART3；以太網(wǎng)通信模塊使用W5500通信模塊，通過SPI連接到主控模塊的SPI2。

2.1.3下行通信接口下行通信模塊主要包括1個WiFi通信模塊、1個RS485通信模塊。其中WiFi通信模塊使用USR-WIFI232-XXX通信模塊，通過UART連接到主控模塊的UART2；RS485通信模塊使用MAX485通信模塊，連接到主控模塊的UART4。

2.1.4存儲、顯示部分主控模塊通過FSMC接口連接IS62WV51216擴展RAM，可存儲512k雙字節(jié)（1024kB）大小的數(shù)據(jù)，用于在協(xié)議處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程的變量存儲；通過I2C接口I2C1連接EPROM存儲器24C02，可存儲256×8（2kbits）大小的數(shù)據(jù)，用于存儲配置參數(shù)；通過SDIO連接SD卡，用于存儲運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)具有1個電源指示燈、1個運行狀態(tài)指示燈、1個上行接口通信指示燈、1個下行接口通信指示燈，主控模塊通過4個IO口驅(qū)動4個LED燈。除了指示燈，沒有其他顯示器件，可通過調(diào)試串口或者上行接口查詢系統(tǒng)信息和狀態(tài)。主控模塊的UART1作為調(diào)試串口。

2.1.5電源部分電源部分使用外接5VDC穩(wěn)壓電源，負載能力不小于10W。通過電源接口接入電路板，在電路板上通過LDO穩(wěn)壓電路輸出3.3VDC穩(wěn)壓電源作為工作電源。

2.2軟件設(shè)計

2.2.1軟件設(shè)計的主要內(nèi)容和方案軟件設(shè)計主要包括：通信接口驅(qū)動程序、模塊的驅(qū)動程序、通信協(xié)議處理程序、配置程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序，完成通信接口接入、遠程連接、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。由于RTOS實時操作系統(tǒng)在系統(tǒng)層已經(jīng)實現(xiàn)了任務(wù)的調(diào)度，在多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)中比較有優(yōu)勢，同時本方案的硬件支持運行RTOS，因此采用基于RTOS進行開發(fā)。

2.2.2軟件的層次結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)進行軟件設(shè)計，軟件的結(jié)構(gòu)從下到上分成：硬件驅(qū)動層、模塊驅(qū)動層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用層。硬件驅(qū)動層完成對硬件的配置和驅(qū)動，包括系統(tǒng)時鐘的配置、IO的配置、UART接口的驅(qū)動、SPI接口的驅(qū)動、I2C接口的驅(qū)動、FSMC接口的驅(qū)動等。模塊驅(qū)動層完成對通信模塊、存儲模塊等外接模塊的配置和驅(qū)動，包括上行接口中的WiFi通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊的驅(qū)動，下行接口中的WiFi通信模塊、RS485通信模塊等的驅(qū)動，存儲模塊的驅(qū)動等。網(wǎng)絡(luò)通信層完成網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議的處理，包括RS485通信、TCP/UDP、HTTP、Modbus等。應(yīng)用層完成業(yè)務(wù)功能，包括系統(tǒng)配置、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、信息采集、數(shù)據(jù)存儲等。

2.2.3任務(wù)的分配和調(diào)度系統(tǒng)使用了FREE—RTOS實時操作系統(tǒng)，在RTOS系統(tǒng)層采用分時調(diào)度的方式實現(xiàn)系統(tǒng)線程（簡稱線程）的切換。系統(tǒng)分配6個線程，各線程優(yōu)先級一致，由RTOS系統(tǒng)分時調(diào)度，將各種業(yè)務(wù)定義成不同的業(yè)務(wù)任務(wù)（簡稱任務(wù)），每個線程執(zhí)行一個或多個業(yè)務(wù)任務(wù)。線程1完成系統(tǒng)配置、系統(tǒng)監(jiān)測、系統(tǒng)指示任務(wù)；線程2完成上行接口處理任務(wù)；線程3完成下行接口處理任務(wù)；線程4完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；線程5完成數(shù)據(jù)存儲任務(wù)；線程6完成信息采集任務(wù)。由于各個線程是無限循環(huán)并且是并行執(zhí)行的，為了對各個線程進行監(jiān)測，取一個狀態(tài)字并為每個線程設(shè)定一個狀態(tài)位。每個線程在循環(huán)一輪都給對應(yīng)的狀態(tài)位置位，線程1每隔100ms要對各個線程的狀態(tài)位進行檢測。如果所有線程對應(yīng)的狀態(tài)位都置位，則清零狀態(tài)字并驅(qū)動狀態(tài)指示燈亮或滅。因此系統(tǒng)正常運行時，狀態(tài)指示燈是閃爍的。

3主要功能的設(shè)計

接入功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能、協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，是網(wǎng)關(guān)要實現(xiàn)的主要功能。

3.1上行接口的設(shè)計

上行接口主要是連接遠程服務(wù)，需要使用遠程通信技術(shù)，使用的通信協(xié)議是TCP/UDP，以及基于TCP/UDP的HTTP、Modbus等。TCP/UDP屬于傳輸層協(xié)議，由通信模塊實現(xiàn)，在模塊驅(qū)動層通過對模塊的配置，可以啟動相關(guān)功能，因此在硬件設(shè)計上，需要選擇支持TCP/UDP功能的通信模塊。本系統(tǒng)所用的上行通信模塊均支持TCP/UDP功能，其中WiFi通信模塊通過UART通信使用相應(yīng)的AT指令進行配置，以太網(wǎng)通信模塊通過SPI通信配置模塊相應(yīng)的寄存器進行配置。HTTP、Modbus等運行在TCP之上，屬于應(yīng)用層協(xié)議，由主控模塊實現(xiàn)，通過協(xié)議處理程序完成。HTTP協(xié)議在Web應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用；Modbus協(xié)議在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。通過上行接口，實現(xiàn)以下功能：1）使用的是HTTP協(xié)議對網(wǎng)關(guān)參數(shù)的配置和查詢：網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)一個WebServer，可以處理HTTP協(xié)議的GET方法請求。通過瀏覽器打開配置頁面對參數(shù)進行查詢和配置，網(wǎng)關(guān)作為TCPServer，需要打開監(jiān)聽端口。2）使用Modbus協(xié)議將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器：網(wǎng)關(guān)作為TCPClient連接到TCPServer，由服務(wù)器發(fā)起請求網(wǎng)關(guān)作為從設(shè)備響應(yīng)數(shù)據(jù)。Modbus協(xié)議有專門的TCP格式，這里只是將TCP作為數(shù)據(jù)鏈路，報文使用的是Modbus-RTU格式。

3.2下行接口的設(shè)計

下行接口主要是連接傳感器、下級網(wǎng)關(guān)，包括1個WiFi接口、1個RS485接口。WiFi接口配置成AP模式，下級網(wǎng)關(guān)的上行WiFi以及采用WiFi通信的傳感器可以連接到到這個AP。在通信上，配置成TCPServer，打開監(jiān)聽端口，下級網(wǎng)關(guān)、傳感器作為TCPClient連接到這個端口，使用TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。由于RS485通信是半雙工的，模塊需要配置成主機模式，由網(wǎng)關(guān)發(fā)起通信。RS485通信的校驗位和波特率等參數(shù)設(shè)計成可配置以適應(yīng)實際設(shè)備的通信參數(shù)。在往下行接口發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，會發(fā)送到所有通過WiFi接口連接的傳感器、通過RS485接口連接的傳感器以及通過WiFi接口連接的下級網(wǎng)關(guān)。

3.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)指的是將數(shù)據(jù)從下行接口轉(zhuǎn)發(fā)到上行接口，或?qū)?shù)據(jù)從上行接口轉(zhuǎn)發(fā)到下行接口。在轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，由于兩個接口的通信協(xié)議不用，需要根據(jù)接收口的協(xié)議將數(shù)據(jù)接收讀取解析出來，經(jīng)過一定的處理后，按發(fā)送口的通信協(xié)議重新打包發(fā)送，這個就是協(xié)議轉(zhuǎn)換。整個過程就是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、解包、處理、封裝、轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)采用多種可配置的模式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，運行的時候根據(jù)配置執(zhí)行下列模式中的一個模式：模式1為直接透傳模式。運行此模式的時候，系統(tǒng)將上行接口的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到下行接口，由于下行接口有多個端口，數(shù)據(jù)將依次轉(zhuǎn)發(fā)到各個端口，下行接口的數(shù)據(jù)也依次直接轉(zhuǎn)發(fā)到上行接口。模式2為協(xié)議透傳模式。運行此模式的時候，會對收到的數(shù)據(jù)進行協(xié)議核對，符合Modbus協(xié)議格式的數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)發(fā)，不符合的數(shù)據(jù)將在本地被處理：按其他協(xié)議處理或丟棄。

3.4級聯(lián)功能的設(shè)計

級聯(lián)功能可以給系統(tǒng)帶來靈活性，通過級聯(lián)功能可以實現(xiàn)：通信的中繼進而達到延長通信距離的功能；分級擴展進而達到擴大接入能力的功能；分組接入進而提高系統(tǒng)性能和簡化系統(tǒng)管理。本系統(tǒng)的級聯(lián)功能通過WiFi通信接口實現(xiàn)：本級網(wǎng)關(guān)的上行WiFi模塊打開STA模式，上級網(wǎng)關(guān)的下行WiFi模塊打開AP模式；本級網(wǎng)關(guān)的上行WiFi接入到上級網(wǎng)關(guān)的下行WiFi；上級網(wǎng)關(guān)把本機網(wǎng)關(guān)看成一個傳感器終端，本機網(wǎng)關(guān)把上級網(wǎng)關(guān)看成一個服務(wù)器；按正常的模式進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。級聯(lián)之后的系統(tǒng)，只有一個頂級網(wǎng)關(guān)連接到服務(wù)器。從頂級網(wǎng)關(guān)看，所有的傳感器設(shè)備都是連接在本網(wǎng)關(guān)的下行WiFi接口上，可以把下級的級聯(lián)網(wǎng)關(guān)看成透明的。

篇(4)

IEC60870-5-104協(xié)議（以下簡稱104協(xié)議）是國際電工委員會在IEC60870-5-101協(xié)議的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸而制定的遠動通信協(xié)議。它不僅可以應(yīng)用在集控中心與變電站、集控中心與調(diào)度端，而且完全適用于變電站內(nèi)的通信網(wǎng)。104協(xié)議在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層采用RFC2200協(xié)議。RFC2200是標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議子集，因此104協(xié)議適合在基于TCP/IP協(xié)議的高帶寬網(wǎng)絡(luò)上傳輸。104協(xié)議最大優(yōu)點是具有實時性好、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸流量大、便于信息擴展、支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c。104協(xié)議在應(yīng)用層采用APCI（應(yīng)用協(xié)議控制信息）傳輸接口（見圖3）。根據(jù)APCI控制域格式，104協(xié)議報文有3種類型：用于編號的信息傳輸（I格式）、編號的監(jiān)視功能（S格式）和未編號的控制功能（U格式）。I格式幀：控制域第1個八位位組組的第一位比特=0。I格式的APDU包含1個ASDU（應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)單元）。S格式幀：控制域第1個八位位組的第1個比特位=1，且第2個比特位=0。S幀只包括APCI。U格式幀：控制域第1個八位位組的第1個比特位=1，且第2個比特位=1。U幀也只包括APCI。104協(xié)議通過發(fā)送序號N(S)和接收序號N(R)機制來防止報文的丟失和報文的重復(fù)。當(dāng)通信雙方建立連接后，雙方開始數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送方每發(fā)送1個I格式報文，其發(fā)送序號加1，接收方每接收到一個與其接收序號相等的I格式報文后，其接收序號也加1。接收方通過比較接收到的I格式報文發(fā)送序號N(S)與自己的接收序號R(S)是否相等來判斷是否存在報文丟失或重傳的情況。當(dāng)接收方收到發(fā)送序號大于自己接收序號的I格式報文時，意味著報文在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時存在丟包。當(dāng)接收方收到發(fā)送序號小于自己接收序號的I格式報文時，意味著報文在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時存在重傳。當(dāng)接收方收到正確的I格式報文時，向發(fā)送方發(fā)送S格式報文進行確認。如果發(fā)送方的I格式報文長時間沒有在對方的接收序號中得到確認，則意味著發(fā)生了報文丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷。

提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)實時性的優(yōu)化方法

提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)實時性的方法有多種，總體可分為升級電氣監(jiān)控系統(tǒng)硬件和優(yōu)化軟件算法兩方面。本文采用軟件上對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行優(yōu)化的方法，實現(xiàn)電氣監(jiān)控系統(tǒng)實時性能的提升。

（一）IEC60870-5-103協(xié)議的實時性優(yōu)化

國際標(biāo)準(zhǔn)的103協(xié)議電氣接口有2種，一種為光纖接口，另一種是EIARS485接口。光纖傳輸具有抗干擾能力強，傳輸速度快等優(yōu)點。當(dāng)繼電保護裝置與監(jiān)控系統(tǒng)在同一個變電站內(nèi)或距離較近時，光纖接口與EIARS485接口的傳輸速度差別可忽略不計。采用光纖接口和EIARS485接口在通信鏈路拓撲上是相同的，因此光纖接口與EIARS485接口的分析方法是一致的。下面重點對EIARS485接口進行分析。EIARS485接口是一種三線制半雙工接口，在一個時間點只能進行信號的接收或者發(fā)送，即信號收發(fā)不能同時進行。在工程上常采用圖4的通信拓撲結(jié)構(gòu)。EIARS485總線上并聯(lián)的3個繼電保護裝置輪流獲得通信權(quán)，向通信前置機發(fā)送數(shù)據(jù)。繼電保護裝置的數(shù)據(jù)能否盡快地傳送給通信前置機，取決于獲得通信權(quán)的時間間隔?；谶@樣的機制，就會出現(xiàn)如果一個繼電保護裝置傳輸多個信號時，將會占據(jù)比較長的傳輸時間。特別是當(dāng)發(fā)生大面積電氣故障時，繼電保護裝置可能會產(chǎn)生較多的變位信號。如果按一個繼電保護裝置上傳5個遙信信號計算，傳輸這5個變位遙信信號要通過至少20幀報文才能完成。為保證繼電保護裝置的信號能實時傳輸給通信前置機，在考慮EIARS485接口連接繼電保護裝置的數(shù)量時，就需要計算極端情況下，在EIARS485接口中繼電保護裝置信號傳輸?shù)淖畲笱訒r。計算EIARS485數(shù)據(jù)的傳輸延時，本文參考國標(biāo)GB/T18657.2-2002中的非平衡傳輸過程進行計算。

（二）IEC60870-5-104協(xié)議的實時性優(yōu)化

104協(xié)議是基于以太網(wǎng)傳輸?shù)?，以太網(wǎng)RJ45接口是一種平衡傳輸?shù)娜p工接口。影響104協(xié)議實時性的主要有2個因素：一是以太網(wǎng)的傳輸性能。這是由網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和以太網(wǎng)帶寬決定的。二是104協(xié)議報文的信號攜帶效率。下面主要通過對第二個因素優(yōu)化來提高104協(xié)議的實時性。104協(xié)議通過I格式幀進行數(shù)據(jù)傳輸。104協(xié)議中規(guī)定一個ASDU在不超過249個字節(jié)時，既可以傳輸一個信號（如開關(guān)變位信號），也可以傳輸一組信號（包含多個遙信信號）。在現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)104協(xié)議使用中，一個I個格式幀通常只傳輸一個變位遙信信號。如果能夠做到在一個I個格式幀內(nèi)盡可能傳輸多個數(shù)據(jù)，無疑提高了信號的傳輸效率。本文認為可以采用一個I個格式幀包含5~10個遙信變位信號。這樣傳輸雖然增加了I個格式幀的長度（增加了15~50個字節(jié)），但對于100M以太網(wǎng)的傳輸性能來說，增加15~50個字節(jié)的影響可以忽略不計。采用這種方法傳輸后，原先傳輸500個遙信變位信號需要1000幀報文（一個遙信變位包括一幀遙信變位報文和一幀SOE報文），現(xiàn)在只需要500幀報文，傳輸延時可節(jié)約接近1半。

提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)可靠性的優(yōu)化方法

電氣監(jiān)控系統(tǒng)可靠性主要依靠通信前置機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠動機等設(shè)備的冗余配置和通信網(wǎng)絡(luò)的冗余配置實現(xiàn)。在現(xiàn)有的使用過程中，硬件雖然冗余配置，但冗余設(shè)備之間的相互無擾無縫切換卻是一直存在的問題。本文通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議應(yīng)用，使通信前置機冗余切換和通信網(wǎng)絡(luò)冗余切換的可靠性得到提高，從而提升電氣監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

（一）IEC60870-5-103協(xié)議雙機熱備接口切換

103協(xié)議在采用EIARS485接口時，一個EIARS485接口只能有1臺主機，即2臺通信前置機不能通過同一個EIARS485接口向1臺繼電保護裝置發(fā)送報文。為提高103協(xié)議傳輸?shù)目煽啃?，本文認為可將2臺通信前置機的所有EIARS485接口并接運行。1臺通信前置機處于工作狀態(tài)（向繼電保護裝置發(fā)送和接收報文），另1臺通信前置機處于熱備狀態(tài)（通過該EIARS485接口，只接收工作狀態(tài)通信前置機與繼電保護裝置的通信報文）。當(dāng)熱備狀態(tài)通信前置機檢測到工作狀態(tài)前置機的任何一個EIARS485接口通信中斷（該EIARS485接口沒有通信報文）時，熱備狀態(tài)前置機接過該EIARS485接口的主機地位，通過該EIARS485接口向繼電保護裝置發(fā)送和接收報文。此時，工作狀態(tài)通信前置機則放棄該EIARS485接口的主機地位，從而實現(xiàn)IEC60870-5-103協(xié)議雙機熱備接口切換。

（二）IEC60870-5-104協(xié)議雙以太網(wǎng)（雙通道）并行數(shù)據(jù)傳輸

現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)大多都采用通信前置機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠動機和以太網(wǎng)的冗余配置。冗余配置大大提高了信號傳輸?shù)目煽啃?。但目前常用的雙機雙網(wǎng)切換機制都為“硬切換”，即正常情況下冗余的兩臺通信前置機中只有其中一臺使用冗余通信網(wǎng)絡(luò)中的一條與遠動機或服務(wù)器進行通信。當(dāng)正常運行的前置機發(fā)生故障或者正常運行的通信網(wǎng)絡(luò)中斷時，通信切換到冗余的另一臺通信前置機或另一條通信網(wǎng)絡(luò)。但是使用這種機制最大的缺點是：通信前置機的切換和通信網(wǎng)絡(luò)的切換是通過通信前置機內(nèi)部軟件進行判斷實現(xiàn)的，切換過程通信是中斷的，無法做到無擾連續(xù)切換。2008年，IECSC65WG15了IEC62439高可用性自動化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中IEC62439-3規(guī)定的并行冗余協(xié)議（PRP），提出了將設(shè)備連接在具有相同特性并列運行的2個LAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，在設(shè)備上實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)處理。

IEC60870-5-104協(xié)議沒有規(guī)定如何使用冗余通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。如果采用并行冗余協(xié)議（PRP），需要在各設(shè)備內(nèi)部增加鏈路冗余體（LRE）進行冗余網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)處理。但傳統(tǒng)變電站現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備并不具有這樣的功能結(jié)構(gòu)。如果采用并行冗余協(xié)議（PRP），無疑需要重新設(shè)計現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備。本文根據(jù)并行冗余協(xié)議（PRP）的通信原理和104協(xié)議的通信機制，在不改動現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的104協(xié)議的通信方式進行修改，從而實現(xiàn)104協(xié)議在冗余網(wǎng)絡(luò)上的并行數(shù)據(jù)傳輸。

下面以通信前置機與遠動機通信為例，介紹104協(xié)議并行數(shù)據(jù)傳輸方法（如圖5）。在通信前置機和遠動機的104協(xié)議程序中定義冗余傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)口A和以太網(wǎng)口B。在以太網(wǎng)口A與以太網(wǎng)口B冗余并列通信時，雙方鏈路初始化結(jié)束后，總召換和對時報文均由遠動機通過以太網(wǎng)口A啟動，通信前置機通過這2個以太網(wǎng)口，以相同的報文（包括相同的發(fā)送序號和數(shù)據(jù)內(nèi)容）向遠動機發(fā)送報文。遠動機則同時從本機冗余傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)口A和以太網(wǎng)口B讀取報文，判斷2個以太網(wǎng)口收到報文的發(fā)送序號，舍棄發(fā)送序號較小的報文。如果其中一條以太網(wǎng)鏈路發(fā)生翻動（因路由器或交換機的原因?qū)е峦ㄐ沛溌范虝r中斷）時，通信前置機與遠動機對這條以太網(wǎng)鏈路重新進行通信鏈路初始化（如圖6）。初始化結(jié)束后，通信前置機并不將該條鏈路報文的發(fā)送序號置0，而是使用與另一正常鏈路相同的報文（包括發(fā)送序號和數(shù)據(jù)內(nèi)容）繼續(xù)發(fā)送，從而保證在冗余的通信網(wǎng)路上進行數(shù)據(jù)的同步傳輸。

結(jié)論

篇(5)

【關(guān)鍵詞】串口通信協(xié)議 遠程維護系統(tǒng) 研究

為了可以實現(xiàn)對一些比較重要的設(shè)備進行遠程監(jiān)測以及維修養(yǎng)護，并實現(xiàn)無人監(jiān)視和無人控制的最終目標(biāo)，需要建設(shè)并完善與之有關(guān)的維護系統(tǒng)。建設(shè)起遠程維護的系統(tǒng)，首先要做的就是處理裝備信息接口的統(tǒng)一性，打造比較統(tǒng)一的通訊協(xié)議方面的問題。在計算機的控制下，串行通信接口為非常主要的接口，結(jié)合裝備實際情況來實現(xiàn)計算機與裝備間的通訊和交流，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1 分析并建立串口通訊協(xié)議

1.1 分析

整體上來看，串口通訊協(xié)議設(shè)計主要是在面向連接服務(wù)的基礎(chǔ)之上的。任何裝備對于通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)都是不同的，這是因為各個研制裝備的單位往往都會結(jié)合自身的需求以及實際設(shè)計型號來制定的，對于信息幀結(jié)構(gòu)也有較多不同的種類，同時在通訊協(xié)議中，各個部分內(nèi)容當(dāng)中位數(shù)也有一定的差異，對數(shù)據(jù)進行編碼的方式自然也不一樣。所以，并不能實現(xiàn)不同裝備之間信息共享的操作。另外，還有一部分裝備并沒有設(shè)置信息接口，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)據(jù)無法進行傳輸，自然就無法實現(xiàn)遠程控制設(shè)備。

1.2 建立

結(jié)合裝備運行的實際情況，制定通訊協(xié)議需要令其能夠?qū)崿F(xiàn)對遠程設(shè)備進行控制以及維護的功能，還要在此基礎(chǔ)之上確?？臻g充足，以便設(shè)備進行功能擴展，在通訊協(xié)議當(dāng)中，還需要擁有控制設(shè)備、監(jiān)視參數(shù)、設(shè)置參數(shù)等有一定關(guān)聯(lián)的內(nèi)容。對現(xiàn)有裝備所擁有的通訊協(xié)議進行分析和設(shè)計的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建出能夠滿足裝備的實際情況的一個通訊協(xié)議規(guī)范，它可以比較嚴格地對信息幀格式和其他的幀格式之間位數(shù)展開規(guī)定，按照協(xié)議，可以將其分成五類不同的幀結(jié)構(gòu)，不同的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計類型都會和硬件間優(yōu)化融合綜合起來進行考慮。

2 設(shè)計分析五種幀結(jié)構(gòu)

2.1 握手類

這種幀結(jié)構(gòu)直接將設(shè)備和接口連接起來，信息接口會定時傳送詢問幀到設(shè)備當(dāng)中，假如此時裝備處于開啟狀態(tài)，裝備就會將回應(yīng)幀傳輸給接口，在接口收到回應(yīng)幀之后，雙幀聯(lián)動，就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，達到遠程控制的目的。

2.2 控制類

這種幀結(jié)構(gòu)將控制功能的實現(xiàn)作為主要目的，它可以對設(shè)備進行諸如開機或者關(guān)機等控制操作，在進入到這種狀態(tài)下的時候，接口需要先向整個設(shè)備輸送控制幀，在設(shè)備收到之后，就可以立刻執(zhí)行這些控制類幀當(dāng)中的指定命令，并且發(fā)送回應(yīng)幀給接口，待接口收到之后，就可以標(biāo)記這項操作任務(wù)已經(jīng)完成了。

2.3 檢測類

這種幀結(jié)構(gòu)能夠很好地實現(xiàn)檢測類的相關(guān)功能，正確利用檢測幀，我們能夠?qū)υO(shè)備的各項系統(tǒng)參數(shù)以及運轉(zhuǎn)狀態(tài)展開系統(tǒng)的檢測，在被控制的設(shè)備收到接口所傳輸?shù)谋O(jiān)測幀之后，結(jié)合信息幀當(dāng)中的請求，向信息接口傳輸擁有監(jiān)測內(nèi)容的對應(yīng)幀。在設(shè)備接收了這一對應(yīng)幀之后就會在短時間內(nèi)立刻進行信息整合，與此同時對其進行分析，保證數(shù)據(jù)信息高度的安全以及穩(wěn)定。

2.4 維護類

這種幀結(jié)構(gòu)針對的是擁有維護性能的設(shè)備所適用的，它能夠?qū)κ艿娇刂频脑O(shè)備參數(shù)進行必要的設(shè)置，進而實現(xiàn)遠程維護設(shè)備。其具體的操作流程如下：信息接口先向?qū)?yīng)設(shè)備傳輸要進行讀取的設(shè)備參數(shù)的信息幀，設(shè)備收到了信息幀后，結(jié)合信息幀當(dāng)中所涵蓋的內(nèi)容，傳輸響應(yīng)幀到接口當(dāng)中，這一過程當(dāng)中，響應(yīng)幀當(dāng)中包括信息幀當(dāng)中全部消息內(nèi)容，在接口收到了響應(yīng)幀之后，結(jié)合響應(yīng)幀當(dāng)中的消息，對消息進行適當(dāng)?shù)男薷囊约霸O(shè)置，全部完成之后，可以向設(shè)備傳輸維護類的幀，在設(shè)備收到維護幀后，就可以依照維護幀當(dāng)中的一些信息來對設(shè)備進行適當(dāng)?shù)木S護以及設(shè)置操作。

2.5 補充類

通常來說這種幀結(jié)構(gòu)都是在設(shè)備以及接口間進行信息幀傳輸?shù)倪^程當(dāng)中，結(jié)合傳輸?shù)男畔L度、幀結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)來進行精準(zhǔn)判斷。不過，假如數(shù)據(jù)長度太大，不能通過一幀來進行傳輸?shù)臅r候，就需要借助補充幀結(jié)構(gòu)的作用。先發(fā)送并沒有進行校驗的幀，隨后自動傳送，在接口收到包含在補充信息幀當(dāng)中的命令后，就可以標(biāo)記這次數(shù)據(jù)通訊活動完畢。

3 傳輸數(shù)據(jù)和遠程維護系統(tǒng)具體實現(xiàn)

3.1 傳輸數(shù)據(jù)的流程

微機傳輸請求信息，到達設(shè)備之后，被控制的設(shè)備會先對信息幀進行解碼處理，結(jié)合協(xié)議當(dāng)中的有關(guān)規(guī)范，在存儲器當(dāng)中適當(dāng)?shù)爻槿⌒枰南ⅲ偻ㄟ^ARM來進行適當(dāng)?shù)奶幚?，結(jié)合規(guī)定當(dāng)中的格式，借助串口，通過信息幀的形式來發(fā)送需要的數(shù)據(jù)信息，到達微機之后，微機接收信息幀，借助其中遠程維護軟件和協(xié)議當(dāng)中所規(guī)定的格式來解碼信息幀，從中提取有效的信息，在相應(yīng)的區(qū)域當(dāng)中顯示指定的數(shù)據(jù)信息。

3.2 實現(xiàn)遠程維護系統(tǒng)

整體上來說，遠程維護控制這一系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括遠程維護中心、網(wǎng)絡(luò)組成軟件以及設(shè)備接口信息終端這樣的三個部分所組成，它可以很好地實現(xiàn)對各個被控制的設(shè)備進行監(jiān)視以及維護的目的，通過信息之間的相互傳輸以及對彼此信息進行破解的過程來實現(xiàn)信息分析，進而能夠及時且有效地實現(xiàn)對被控設(shè)備進行遠程監(jiān)控的目的，繼而對已經(jīng)有的問題進行適當(dāng)?shù)念A(yù)警和提示，繼而實現(xiàn)遠程維護設(shè)備和遠程控制設(shè)備的最終目的，這一系統(tǒng)的組成可以用圖1來展示。

4 結(jié)語

設(shè)計串口通訊協(xié)議，可以起到規(guī)范化通訊協(xié)議，并統(tǒng)一提供理論支持的作用，可以將裝備當(dāng)中的串口通訊協(xié)議進行統(tǒng)一，與此同時，還給裝備遠程維護的控制系統(tǒng)打造了比較理想的理論平臺，針對裝備使用和發(fā)揮正常效能來說擁有比較現(xiàn)實的意義和價值。

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作者單位

篇(6)

論文摘要：現(xiàn)場總線是近年來自動化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議簡單開放、容錯能力強、實時性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點。目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。較著名的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、HART現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。

智能化配電系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡(luò)把眾多的帶有通信接口的中、低壓開關(guān)和控制設(shè)備與主計算機連接起來，由計算機進行智能化管理，實現(xiàn)集中數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調(diào)度的新型配電系統(tǒng)。智能化配電系統(tǒng)一般由主計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、智能化開關(guān)和控制設(shè)備三部分組成。

從目前國內(nèi)外智能化配電系統(tǒng)所應(yīng)用的現(xiàn)場總線來看，主要有PROFIBUS－DP、MODBUS、LONWORKS等，而FF、HART、CAN等現(xiàn)場總線在智能化配電系統(tǒng)中應(yīng)用則較少。以上系統(tǒng)基本上都是采用單一的現(xiàn)場總線技術(shù)，即整個智能化配電系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場總線，整個系統(tǒng)構(gòu)造比較單一。

隨著自動化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應(yīng)用量越來越大，而且隨著用戶對配電系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現(xiàn)場總線本身的特點以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在一些工程的智能化配電系統(tǒng)中，采用一種現(xiàn)場總線總線的智能化產(chǎn)品往往不能滿足應(yīng)用的全面要求，多現(xiàn)場總線產(chǎn)品共存于一個智能化配電系統(tǒng)已成為一個現(xiàn)實的問題。

由于多現(xiàn)場總線系統(tǒng)中不同類型的產(chǎn)品均配專用的通信協(xié)議，有的廠家還專門為自己的產(chǎn)品開發(fā)了專用的通信卡、通信控制器等專用設(shè)備，因此，整個系統(tǒng)中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無法直接和主控單元進行通信，這嚴重防礙了用戶的選擇。對用戶而言，如果在一個智能化配電系統(tǒng)中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個智能化系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，而且在系統(tǒng)進行改造或升級時，將要花費用戶更多的時間和費用。因此，多現(xiàn)場總線技術(shù)在一個智能化配電系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為一個重要的研究課題。

1 多現(xiàn)場總線技術(shù)

目前，在一些工程中通常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)一于一個智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。

針對上述在智能化配電系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實際問題，我們提出了通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對現(xiàn)場總線協(xié)議進行處理，解決智能化配電系統(tǒng)中多現(xiàn)場總線的兼容性問題，其目的是為了能將不同現(xiàn)場總線的產(chǎn)品和諧地融入一個系統(tǒng)中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長處，為那些希望使用不同廠家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶提供更大的靈活性。

通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是現(xiàn)場級的通用通信管理設(shè)備，由它把各個現(xiàn)場設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，并負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備上位機之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應(yīng)的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備進行通信。

2 現(xiàn)場總線協(xié)議控制器

通過多種方案的比較，采用模塊化結(jié)構(gòu)和多CPU工作方式來設(shè)計通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器。因為模塊化的結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)有較強的擴展能力，為系統(tǒng)將來的升級換代帶來便利。

通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴展槽和固定支架等，并且系統(tǒng)總線也是在底板，擴展槽和底板上的信號線構(gòu)成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶CPU。主控板負責(zé)管理整個系統(tǒng)以及與上位機的通信，通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通過RS232接口與上位機連接，主控板通過它與上位機進行信息交換，主要包括：管理系統(tǒng)總線，給協(xié)議板和接口板分配系統(tǒng)資源，與協(xié)議板進行信息交換，對來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進行處理，等待上位機提取。協(xié)議板是通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器的關(guān)鍵部分，所有與現(xiàn)場設(shè)備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現(xiàn)場總線協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進行一種現(xiàn)場總線協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶可以根據(jù)實際情況進行選擇，接口種類有RS232、RS422、RS485等。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器與上位機以及與現(xiàn)場設(shè)備的通信都采用串行方式，而通信控制器內(nèi)部各插卡之間通過系統(tǒng)總線來完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過系統(tǒng)總線分別與協(xié)議板進行通信，各協(xié)議板之間不能進行通信。

通信過程如下：主控板在系統(tǒng)總線上，通過廣播方式發(fā)送協(xié)議板號來呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號識別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號相符的協(xié)議板才響應(yīng)主控板，從而實現(xiàn)主控板與協(xié)議板的通信。當(dāng)用戶增加新的協(xié)議設(shè)備時，不必改動硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設(shè)置好協(xié)議板號，并在上位機的組態(tài)中添加相應(yīng)的系統(tǒng)信息存入計算機即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過系統(tǒng)中的局部總線來完成。

3 應(yīng)用實例

通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器已經(jīng)在我們最新開發(fā)的CE2000電站綜合自動化系統(tǒng)中完成，并與多種產(chǎn)品進行了通信聯(lián)網(wǎng)試驗。系統(tǒng)中的主要產(chǎn)品有：美國西屋公司采用INCOM（MODBUS）通信協(xié)議的智能化產(chǎn)品、德國西門子公司和德國默勒公司采用PROFIBUS－DP通信協(xié)議的智能化產(chǎn)品、南京因泰來公司采用其內(nèi)部通信協(xié)議INTBUS的綜合數(shù)字保護繼電器產(chǎn)品。

整個系統(tǒng)由配各種智能化開關(guān)柜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件包括各種智能化開關(guān)柜、通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器、上位控制計算機。軟件由主控程序、通訊界面和人機界面三部分組成。根據(jù)以上硬件設(shè)備的配置情況，在上位機上輸入系統(tǒng)配置信息，通過串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統(tǒng)配置信息分類傳遞給各協(xié)議板，各協(xié)議板收到系統(tǒng)信息后與所屬硬件設(shè)備進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控板傳送到上位機，并通過主控板接受上位機命令。

4 結(jié)束語

篇(7)

關(guān)鍵詞 計算機；網(wǎng)絡(luò)；體系；機構(gòu)

中圖分類號TP39 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2012）69-0185-02

0引言

幾十年來，計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展相當(dāng)迅速。但計算機網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)要解決很多復(fù)雜的技術(shù)問題：支持多種通信介質(zhì)，比如雙絞線、同軸電纜、光纖、微波、紅外線等；支持多廠商、異構(gòu)互聯(lián)，包括軟件的通信約定以及硬件接口的規(guī)范；支持多種業(yè)務(wù)，比如批處理、交互分時、數(shù)據(jù)庫等；支持高級人機接口，滿足人們對多媒體日益增長的需求。正如結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計中對復(fù)雜問題的模塊化分層處理一樣，在處理計算機網(wǎng)絡(luò)這種復(fù)雜系統(tǒng)時所采用的方法就是把復(fù)雜的大系統(tǒng)分層處理，每層完成特定功能，各層協(xié)調(diào)起來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能。計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是介紹計算機網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的層次化網(wǎng)絡(luò)研究方法。

1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念

1.1通信協(xié)議

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了滿足數(shù)據(jù)通信的雙方準(zhǔn)確無誤的進行通信，這就需要我們根據(jù)在通信過程中產(chǎn)生的各種問題，制定一系列的通信雙方必須遵守的規(guī)定，這就是我們所說的通信協(xié)議。從通信協(xié)議的表現(xiàn)形式來看，它規(guī)定了交互雙方用于通信的一系列語言法則和語言意義，這些相關(guān)的協(xié)議能夠規(guī)范各個功能部件在通信過程中的正確操作。

1.2實體

每層的具體功能是由該層的實體完成的。所謂實體是指能在某一層中具有數(shù)據(jù)收發(fā)能力的活動單元（元素）。一般就是該層的軟件進程或者實現(xiàn)該層協(xié)議的硬件單元。在不同系統(tǒng)上同一層的實體互稱為對等實體。

1.3接口

上下層之間交換信息通過接口來實現(xiàn)。一般使上下層之間傳輸信息量盡可能少，這樣使兩層之間保持其功能的相對獨立性。

1.4服務(wù)

服務(wù)就是網(wǎng)絡(luò)中各層向其相鄰上層提供的一組功能集合，是相鄰兩層之間的界面。因為在網(wǎng)絡(luò)的各個分層機構(gòu)中的單方面依靠關(guān)系，使得在網(wǎng)絡(luò)中相互鄰近層之間的相關(guān)界面也是單向性的：下層作為服務(wù)的提供者，上層作為服務(wù)的接受者。上層實體必須通過下次的相關(guān)服務(wù)訪問點（Service Access Point，SAP），才能夠獲得下層的服務(wù)。SAP作為上層與下層進行訪問的服務(wù)場所，每一個SAP都會有有自己的一個標(biāo)識，并且每個層間接口可以有多個SAP。

1.5服務(wù)原語

網(wǎng)絡(luò)中的各種服務(wù)是通過相應(yīng)的語言進行描述的，這些服務(wù)原語可以幫助用戶訪問相應(yīng)的服務(wù)，也可以像用戶報告發(fā)生的相應(yīng)事件。

服務(wù)原語可以帶著不同的參數(shù)，這些參數(shù)可以指明需要與那臺服務(wù)器相連、服務(wù)器的類別、和準(zhǔn)備在這次連接上所使用的數(shù)據(jù)長度。假如被呼叫的用戶不同意呼叫用戶建立的連接數(shù)據(jù)大小，它會在一個“連接響應(yīng)”原語中提出一個新的建議，呼叫的一方能夠從“連接確認”的原語中得知情況。這樣的整個過程細節(jié)就是協(xié)議內(nèi)容的一部分。

1.6數(shù)據(jù)單元

在網(wǎng)絡(luò)中信息傳送的單位稱為數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)單元可分為：協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）、接口數(shù)據(jù)單元（IDU）和服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）。

1）協(xié)議數(shù)據(jù)單元

不同系統(tǒng)某層對等實體為實現(xiàn)該層協(xié)議所交換的信息單位，稱為該層協(xié)議數(shù)據(jù)單。

其中：協(xié)議控制信息，是為實現(xiàn)協(xié)議而在傳送的數(shù)據(jù)的首部或尾部加的控制信息，如地址、差錯控制信息、序號信息等；用戶數(shù)據(jù)為實體提供服務(wù)而為上層傳送的信息。考慮到協(xié)議的要求，如時延、效率等因素，對協(xié)議數(shù)據(jù)單元的大小一般都有所限制。

2）服務(wù)數(shù)據(jù)單元

上層服務(wù)用戶要求服務(wù)提供者傳遞的邏輯數(shù)據(jù)單元稱為服務(wù)數(shù)據(jù)單元?？紤]到協(xié)議數(shù)據(jù)單元對長度的限制，協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的用戶數(shù)據(jù)部分可能會對服務(wù)數(shù)據(jù)單元進行分段或合并。

3）接口數(shù)據(jù)單元

在同一系統(tǒng)的相鄰兩層實體的一次交互中，經(jīng)過層間接口的信息單元，稱為接口數(shù)據(jù)單元。

其中，接口控制信息是協(xié)議在通過層間接口時，需要加一些控制信息，如通過多少字節(jié)或要求的服務(wù)質(zhì)量等，它只對協(xié)議數(shù)據(jù)單元通過接口時有作用，進入下層后丟棄；接口數(shù)據(jù)為通過接口傳送的信息內(nèi)容。

1.7網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是以完成不同計算機之間的通信合作為目標(biāo)，把需要連接的每個計算機相互連接的功用分成明確的層次，在結(jié)構(gòu)里面它規(guī)定了同層次進程通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口及服務(wù)。實際上網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是用分層研究方法定義的計算機網(wǎng)絡(luò)各層的功能、各層協(xié)議以及接口的集合。

2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層原理

當(dāng)今社會上存在這各個年代、各個廠家、各個類型的計算機系統(tǒng)，如果將這不同的系統(tǒng)進行連接就必須遵守某種互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則。為了減少協(xié)議設(shè)計的復(fù)雜性，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都是按照層的方式來組織的。

在網(wǎng)絡(luò)的各個不同分層結(jié)構(gòu)中，每一層都要服務(wù)于它的上層，并且呀說明服務(wù)對象的相應(yīng)接口，上層只不過是利用下層所提供的服務(wù)和相關(guān)的功能，不用知道下面的層次為了此次服務(wù)到底采用了什么樣的方法和相關(guān)的協(xié)議，下層也僅僅是知道上面一個層次傳送過來了什么參數(shù)，這就是層次間的無關(guān)性。處在各個不同的系統(tǒng)里面的相同層次之間的實體之間沒有什么直接的相互通信的能力，它們的通信必須經(jīng)過相鄰近的下面層次和更加下層的各種通信來完成。分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下：

1）獨立性強。各個層次之間有具體的分工，獨立性是指被分層的具有相對獨立功能的每一層只要知道下面的層次能夠為自己提供的服務(wù)是什么和自己向上面一個層次能夠提供什么服務(wù)就好，不用知道下面的層次為自己提供的服務(wù)需要什么方式；

2）適應(yīng)性強。層與層之間是相互獨立的，一層內(nèi)部發(fā)生了變化并不影響與他相連接的其它各層；

3）易于實現(xiàn)和維護。整個大的系統(tǒng)進行分層后，一個復(fù)雜的系統(tǒng)被分解成很多個功能單一、范圍較小的子系統(tǒng)，每一個層次僅僅實現(xiàn)了與自己相關(guān)的功能，不僅僅讓復(fù)雜的系統(tǒng)變得清晰明了，也是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)和調(diào)試變得簡單和容易。

3結(jié)論

計算機網(wǎng)絡(luò)的體系復(fù)雜，各個層次間的聯(lián)系多種多樣，相信只要學(xué)習(xí)好現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)，一定能夠應(yīng)對各種網(wǎng)路體系問題，由于作者本身經(jīng)驗和知識層次的欠缺，文中難免會出現(xiàn)不合理之處，望作者批評指正。

參考文獻