單片機(jī)控制系統(tǒng)總線通信的優(yōu)化模型探析

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(1.國(guó)網(wǎng)山東公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250001；2.國(guó)網(wǎng)菏澤供電公司；3.國(guó)網(wǎng)濱州供電公司；4.國(guó)網(wǎng)威海供電公司)

引 言

現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)設(shè)備間通信的網(wǎng)絡(luò)化，形成以管理軟件為核心的有機(jī)聯(lián)動(dòng)體。工業(yè)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化[1]，其相關(guān)設(shè)備以終端形式與系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸，就需要利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信?，F(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)為了滿足復(fù)雜、龐大的生產(chǎn)需要，向智能化、多樣化、分布化方向發(fā)展，需要大量智能模塊式的單片機(jī)作為終端。由于單片機(jī)終端的增加，其與核心系統(tǒng)的信息共享、聯(lián)網(wǎng)控制傳輸更加頻繁，需要借助通信模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文以單片機(jī)通信為研究對(duì)象，分析單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各層間總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，以及相應(yīng)的通信協(xié)議，旨在找出單片機(jī)控制系統(tǒng)通信的一般性方法。

1 單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

單片機(jī)控制系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)管理控制的數(shù)據(jù)管理層、發(fā)送和接收指令的操作管理層、單片機(jī)構(gòu)成的設(shè)備管理層，具體如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)中的設(shè)備管理層主要負(fù)責(zé)兩方面工作：一方面，執(zhí)行操作管理層發(fā)送的命令信息、單片機(jī)設(shè)備信息的采集和傳遞；另一方面，單片機(jī)接收操作管理層的指令信息，執(zhí)行操作層對(duì)設(shè)備管理層的操作。計(jì)算機(jī)操作位于系統(tǒng)控制的操作管理層[2]，利用操作系統(tǒng)了解系統(tǒng)設(shè)備的整體運(yùn)行情況，并通過(guò)上一層傳遞的執(zhí)行命令進(jìn)行單片機(jī)終端的實(shí)時(shí)控制。數(shù)據(jù)管理層是控制系統(tǒng)的核心，主要對(duì)操作管理層傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)、分析、存儲(chǔ)和反饋，向操作者提供決策信息，輔助其決策。

2 單片機(jī)控制系統(tǒng)通信機(jī)制

通信幀格式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析完成之后，需要對(duì)通信流程進(jìn)行設(shè)定，保證各層信息通信的準(zhǔn)確以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(1)主-從通信機(jī)制

計(jì)算機(jī)向需要建立通信的單片機(jī)發(fā)送下行幀，單片機(jī)接收信息后，進(jìn)行地址信息校對(duì)。如果地址信息一致，單片機(jī)執(zhí)行下行命令，操作管理層中的計(jì)算機(jī)向設(shè)備管理層的單片機(jī)發(fā)送下行幀，單片機(jī)接收信息后，將下行幀中的地址信息與所存儲(chǔ)的地址信息進(jìn)行比對(duì)，如果信息一致，則執(zhí)行下行幀中的命令，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)送上行應(yīng)答幀，否則數(shù)據(jù)丟棄，等待其他下行幀，如圖2(a)所示。

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)通信機(jī)制

(2)多-主通信機(jī)制

多-主通信機(jī)制可以采用主-從通信機(jī)制，也可以按照預(yù)設(shè)規(guī)則，由單片機(jī)向操作管理層發(fā)送請(qǐng)求幀，減少操作層計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高操作管理的效率，如圖2(b)所示。

(3)重發(fā)通信機(jī)制

控制系統(tǒng)各層間通信的影響因素較多，一旦出現(xiàn)通信故障，各個(gè)系統(tǒng)層要進(jìn)行故障處理。參照數(shù)據(jù)管理層的超時(shí)重發(fā)機(jī)制，發(fā)送完數(shù)據(jù)幀以后，進(jìn)行等待時(shí)間計(jì)算，如果超過(guò)設(shè)定的等待時(shí)間，計(jì)算機(jī)、單片機(jī)就會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)。如果多次重發(fā)無(wú)果，認(rèn)定為通信失敗，如圖2(c)所示。

3 通信模型

3.1 模型構(gòu)建

單片機(jī)控制系統(tǒng)中的設(shè)備管理層、操作管理層之間的通信和控制，主要由計(jì)算機(jī)和單片機(jī)完成[3]，且計(jì)算機(jī)和單片機(jī)間通過(guò)總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。雖然不同總線的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線路連接的規(guī)定不同，但可以將單片機(jī)通信相關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)描述，并通過(guò)通信模型表現(xiàn)出來(lái)，具體如圖3所示。

圖3 通信信息模型

由圖3可知，操作管理層主要由PC機(jī)構(gòu)成，設(shè)備管理層由單片機(jī)(SMC)、接收設(shè)備和通信接口設(shè)備組成。其中，通信接口設(shè)備負(fù)責(zé)操作管理層、設(shè)備管理層間信息交換，實(shí)現(xiàn)不同層間的信息通信。通信接口按照預(yù)設(shè)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換兩層間的信息，所以通信協(xié)議的復(fù)雜程度決定了通信接口的模塊組合形式。

3.2 數(shù)據(jù)通信分析

由于通信接口接收的是操作管理層的數(shù)字電平信號(hào)，可以依據(jù)電平判斷通信效果。如果操作層輸入電路的物理特性對(duì)電平波產(chǎn)生影響，就會(huì)降低接收通信的準(zhǔn)確性，所以要求接收、發(fā)送的信號(hào)滿足波形要求。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率<電壓跟蹤率時(shí)，單位數(shù)據(jù)的電平可以保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。其中，輸出、輸入信號(hào)的階段性躍級(jí)響應(yīng)關(guān)系為[4]：

u=U(1-ebt)

(1)

其中，u代表數(shù)據(jù)信號(hào)的高電平，b=1/[R(C1+C2)]代表電平上升時(shí)間，屬于自然常數(shù)。數(shù)據(jù)信號(hào)受到分布參數(shù)影響后的波形圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)接口電路分布參數(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響

依據(jù)式(1)可知，在電壓為5 V情況下，通信信號(hào)電平的幅度上升，就說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸處于高電平狀態(tài)，所需時(shí)間t=-R(C1+C2)In0.42。如果信號(hào)的Bit比為Fb，那么為了保證信號(hào)傳輸?shù)恼_性，電平上升時(shí)間=信號(hào)脈沖寬度的10%～25%。

由此可知，信號(hào)處于高電平時(shí)，單片機(jī)接口的電路分布范圍為：

R(C1+C2)=-1/FbIn0.42(10%～25%)

(2)

一旦單片機(jī)的分布參數(shù)確定后，接口最高通信速率的限制條件可以通過(guò)式(2)獲得。由上述分析可知，不同復(fù)雜程度的通信協(xié)議采用不同的接口模塊組，其影響主要表現(xiàn)為分布參數(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)波形的影響，可以通過(guò)接口電平判斷通信準(zhǔn)確性。

4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，不同結(jié)構(gòu)層間的數(shù)據(jù)傳輸，需要借助通信協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)。在標(biāo)準(zhǔn)一致的通信協(xié)議條件下，實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定、準(zhǔn)確和有效。由于通信協(xié)議、系統(tǒng)通信模式、總線標(biāo)準(zhǔn)三者之間相互影響，所以要結(jié)合通信模式和總線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定通信協(xié)議。在設(shè)定操作管理層、設(shè)備管理層間通信幀的格式時(shí)，要參照系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)，在兩個(gè)通信層間設(shè)置相同幀格式。

4.1 RS-485總線

RS-485總線并未明確規(guī)定通信協(xié)議的具體標(biāo)準(zhǔn)，僅規(guī)定線路的電氣特征。單片機(jī)采用RS-485總線作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要依據(jù)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行設(shè)定[5]。由上述對(duì)控制系統(tǒng)的分析可知，操作管理層主要向設(shè)備管理層傳輸執(zhí)行命令，設(shè)備管理層向操作管理層傳輸反饋信息。因此，兩層之間的通信傳輸可以依據(jù)上、下行標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義通信幀格式。

(1)下行幀格式

參照P2P通信協(xié)議，進(jìn)行下行幀的格式設(shè)置，其內(nèi)容如下所示：

幀頭目標(biāo)地址幀類(lèi)型信息段幀校對(duì)結(jié)尾符111111

幀頭、結(jié)尾符分別表示傳輸指令的開(kāi)始、結(jié)束，用特殊字符代替。幀格中分別預(yù)留目標(biāo)地址信息，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確無(wú)誤。由于操作管理層不僅發(fā)送執(zhí)行命令，還對(duì)設(shè)備管理層上傳信息進(jìn)行回應(yīng)，所以設(shè)置幀類(lèi)型字段用于區(qū)分執(zhí)行命令(控制幀)和回應(yīng)信息(應(yīng)答幀)。當(dāng)傳輸幀為控制幀時(shí)，信息段內(nèi)存放控制命令，包括單片機(jī)工作狀態(tài)設(shè)置、相關(guān)信息查詢、數(shù)據(jù)上傳、基層設(shè)備控制。當(dāng)幀類(lèi)型為應(yīng)答幀時(shí)，信息段內(nèi)存放應(yīng)答信息，幀校對(duì)內(nèi)存在校對(duì)信息。

上述操作管理層的下行幀設(shè)置屬于通用格式，如果采用多機(jī)通信，那么下行幀格式可以優(yōu)化。當(dāng)單片機(jī)處于多機(jī)通信模式時(shí)，可以對(duì)第9數(shù)據(jù)位進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)地址信息和數(shù)據(jù)信息的區(qū)分。處于從機(jī)位的單片機(jī)首先接收與自己地址標(biāo)識(shí)相符的地址格式信息，與上層主機(jī)建立通信，并持續(xù)接收后續(xù)信息，否則等待接收其他地址信息。在多機(jī)模式下，下行幀分為兩種，即地址幀和控制幀。操作管理層中的計(jì)算機(jī)通過(guò)地址幀信息與目標(biāo)單片機(jī)建立通信，利用發(fā)送控制幀信息進(jìn)行控制操作。

地址幀由11位組成，格式如下所示：

(2)上行幀格式

設(shè)備管理層單片機(jī)到操作管理層的通信主要是對(duì)控制命令接收的恢復(fù)，包括準(zhǔn)確接收?qǐng)?zhí)行命令應(yīng)答和單片機(jī)相關(guān)信息上傳，其上傳幀格式如下所示：

幀頭源地址幀長(zhǎng)信息段幀校對(duì)結(jié)尾符111Variable11

上傳幀與下行幀的不同在于源地址和幀長(zhǎng)，源地址是單片機(jī)的地址標(biāo)識(shí)，幀的總字節(jié)數(shù)就是幀長(zhǎng),信息段存儲(chǔ)單片機(jī)執(zhí)行命令情況。其中，幀長(zhǎng)為可變形式，適應(yīng)各種上行傳輸協(xié)議，增加了單片機(jī)通信的通用性。

4.2 CAN總線

各個(gè)層之間的通信需要通過(guò)CAN總線進(jìn)行收、發(fā)，CAN總線利用單片機(jī)中的芯片進(jìn)行接口傳輸通信控制。因此，在單片機(jī)控制系統(tǒng)的通信模型中，接口模塊的智能化程度由單片機(jī)芯片數(shù)量決定。目前，操作管理層與接口之間的通信傳輸主要采用RS-232總線形式，而接口與設(shè)備管理層的通信主要采用CAN總線形式。當(dāng)操作管理層、設(shè)備管理層間進(jìn)行通信，接口模塊要實(shí)現(xiàn)上、下行幀的格式轉(zhuǎn)換，將下行幀轉(zhuǎn)換為CAN格式，上行幀轉(zhuǎn)化為RS-232格式。在控制系統(tǒng)的通信時(shí)，上行幀、下行幀的格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中，接口模塊發(fā)揮信息形式的接收、轉(zhuǎn)換和發(fā)送作用。

由于RS-232總線協(xié)議沒(méi)有明確格式，所以計(jì)算機(jī)監(jiān)控協(xié)議、網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議要依據(jù)不同的單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行不同的功能設(shè)計(jì)。其中，下行幀傳輸操作管理層向設(shè)備管理層下達(dá)命令信息，上行幀主要將單片機(jī)信息傳遞給操作層。因此，PC機(jī)和接口設(shè)備間的信息通信采用下行幀通用標(biāo)準(zhǔn)(符合RS-485總線標(biāo)準(zhǔn))和上行幀格式。接口設(shè)備和操作管理之間的信息通信采用CAN總線標(biāo)準(zhǔn)格式，并按照該格式組成數(shù)據(jù)幀控制接口電路的信息發(fā)送和接收。

結(jié) 語(yǔ)