基于自定義協(xié)議的維護(hù)通信總線（M-BUS）設(shè)計(jì)?

楊 義 焦繼業(yè)

（西安郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 西安 710121）

1 引言

在熱電廠調(diào)控系統(tǒng)中，維護(hù)通信總線作為重要的測試通信網(wǎng)關(guān)，完成電廠系統(tǒng)中的重要工作環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)的監(jiān)控上報(bào)功能［1］。隨著電廠系統(tǒng)復(fù)雜性越來越高，數(shù)據(jù)量的不斷增加，實(shí)時、穩(wěn)定、高速、精確已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)關(guān)的發(fā)展趨勢。由于系統(tǒng)中各設(shè)備之間信號類型的多樣性和功能的復(fù)雜性使得整個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更加龐大，控制管理機(jī)制復(fù)雜［2］，因此需要一套穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高的通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的的實(shí)時、高效調(diào)控與處理。

目前，熱電廠控制系統(tǒng)大多采用集散式控制系統(tǒng)——DCS系統(tǒng)［3］，在該系統(tǒng)下，通信網(wǎng)關(guān)模塊大多使用RS-422，RS-232C，RS-485和以太網(wǎng)接口與其他控制站設(shè)備進(jìn)行連接通信［4］，控制設(shè)備采用的通信協(xié)議不統(tǒng)一，控制方式多為主從問答方式，同一時刻僅允許一個終端擁有總線使用權(quán)，數(shù)據(jù)的通信速率取決于當(dāng)前優(yōu)先級最高的控制終端，限制了系統(tǒng)的傳輸速率［5］。

針對以上問題，本文采用自定義格式對總線協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，在分析RS485通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)4B5B編碼、NRZI差分編碼設(shè)計(jì)一個高效穩(wěn)定的通信協(xié)議［6～7］。該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)電廠系統(tǒng)的自診斷與維護(hù)等功能，同時在較大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)交互下，通過添加CRC校驗(yàn)，保證芯片較高效穩(wěn)定的運(yùn)行［8］。

2 本地維護(hù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體概述

基于自定義協(xié)議的本地維護(hù)通信總線采用非標(biāo)準(zhǔn)總線來完成對個設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)通信，硬件采用Microsemi公司的IGLOO2系列FPGA和ST公司的STM32F103單片機(jī)，F(xiàn)PGA是整個電廠網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)交互媒介，STM32完成配置并通過讀取FPGA內(nèi)部的寄存器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能?？偩€上有485總線數(shù)據(jù)流控制模式，通過控制站發(fā)送485總線數(shù)據(jù)流控制維護(hù)總線的運(yùn)行。RS-485接口從RS232發(fā)展過來，采用差分傳輸，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、多節(jié)點(diǎn)的通信，信號抗干擾能力較強(qiáng)，傳輸距離也較遠(yuǎn)［9～11］。在總線上允許連接多達(dá)128個收發(fā)器。

圖1 網(wǎng)關(guān)模塊對外配置圖

系統(tǒng)上電啟動后，需要完成相關(guān)器件的初始化功能，讀取板卡ID信息，完成內(nèi)部存儲器的初始化功能，完成外部E2PROM接口的自檢（數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)）功能，若校驗(yàn)正確取E2PROM中的配置參數(shù)初始化相應(yīng)的內(nèi)部RAM（加載數(shù)據(jù)），如E2PROM接口自檢錯誤（存儲器數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)錯誤）則進(jìn)入故障狀態(tài)，否則進(jìn)入運(yùn)行工作狀態(tài)。

圖2 軟件運(yùn)行流程圖

2.2 M-BUS協(xié)議總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

M-BUS采用主從問答設(shè)計(jì)方式，維護(hù)接口模塊為主節(jié)點(diǎn)，控制器、點(diǎn)對點(diǎn)卡、多節(jié)點(diǎn)卡、IO卡為從節(jié)點(diǎn)。M-BUS主節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)都連接在M-BUS總線上，通信時，主節(jié)點(diǎn)下發(fā)下裝/維護(hù)數(shù)據(jù)包時，從節(jié)點(diǎn)需要在收到這包數(shù)據(jù)后立即發(fā)送反饋數(shù)據(jù)包，如果主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是廣播數(shù)據(jù)包，則不用反饋數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包和從節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)包之間的間隔不能超過響應(yīng)時間要求，否則視為超時［12］。

由于模塊內(nèi)存在兩個時鐘，輸送給應(yīng)用層的使能信號可能由于系統(tǒng)時鐘和鏈路時鐘的不同而踩不到關(guān)鍵的使能信號，故在和應(yīng)用層對接時應(yīng)做跨時鐘域處理［13］，具體方法如下：發(fā)送方向應(yīng)該將w_tg信號展寬5倍，再用鏈路時鐘去采樣展寬后的信號，可以得到一個鏈路時鐘的脈沖信號。接收方向應(yīng)該將w_rg，w_crc展寬2倍，再用系統(tǒng)時鐘去采樣展寬后的信號，可以得到一個系統(tǒng)時鐘的脈沖信號。

圖3 M-BUS協(xié)議架構(gòu)圖

2.3 M-BUS協(xié)議應(yīng)用層設(shè)計(jì)

M-BUS應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)控制鏈路層物理層發(fā)送和接收、接收數(shù)據(jù)，去掉無用字段，將有效數(shù)據(jù)存入下裝下行緩存或者維護(hù)下行緩存、從下裝上行緩沖區(qū)或者維護(hù)上行緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)加入包裝字段存入鏈路層和物理層發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并通知鏈路層和物理層發(fā)送至物理總線、接收數(shù)據(jù)若為廣播，則不發(fā)送上行反饋，連續(xù)接收到3包廣播復(fù)位數(shù)據(jù)包，給出復(fù)位請求給當(dāng)前板卡。M-BUS應(yīng)用層上采用自定義數(shù)據(jù)幀格式來定義數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)包的方式在總線中傳輸，一個數(shù)據(jù)包即一幀數(shù)據(jù)。常用的通信協(xié)議由幀頭、地址信息、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)塊、校驗(yàn)碼、幀尾等部分組成［14］。M-BUS協(xié)議中應(yīng)用層用DA域?yàn)槟康牡刂窐?biāo)識，SA為源地址標(biāo)識。主節(jié)點(diǎn)的SA域填寫主節(jié)點(diǎn)（維護(hù)接口模塊）的地址。從節(jié)點(diǎn)的DA域?yàn)橹鞴?jié)點(diǎn)的SA域信息值，從節(jié)點(diǎn)的SA域?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)的地址。功能碼域代表兩方面的信息，F(xiàn)C用來定義報(bào)文類型，表明該幀是請求幀還是應(yīng)答幀。MODE域?yàn)榘l(fā)送此數(shù)據(jù)包的板卡模式，CMD域?yàn)榇藬?shù)據(jù)包的執(zhí)行命令，SN域?yàn)榘蛱?，用來區(qū)別相同位置不同時間的兩次數(shù)據(jù)幀。ADDR域?yàn)檎埱髲墓?jié)點(diǎn)操作的內(nèi)存首地址，TYPE域?yàn)榘蹇愋?，板卡類型定義：維護(hù)接口模塊：0x00；控制器：0x10；點(diǎn)對點(diǎn)卡：0x20；多節(jié)點(diǎn)卡：0x30。DATA域?yàn)镈ata Unit用戶數(shù)據(jù)域，用于放置要攜帶的用戶數(shù)據(jù)，長度可取128字節(jié)。

圖4 M-BUS應(yīng)用層自定義幀格式

2.4 M-BUS協(xié)議鏈路層和物理層設(shè)計(jì)

M-BUS通信協(xié)議鏈路層和物理層模塊主要完成鏈路組幀/拆包［15］，CRC 編碼/解碼，并串轉(zhuǎn)換發(fā)送/接收任務(wù)。M-BUS的總線以12.5Mbps的速率進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)的同步信息無需附加在字符中間，每個字符以NRZI格式傳輸，在接收端通過數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)并校驗(yàn)。幀字節(jié)格式為10位，跳變沿為1'b0，無跳變沿為1'b1。以下為5B/4B編碼方式：

5'b11110：decodemap_5B4B=5'h0；//hex'0'

5'b01001：decodemap_5B4B=5'h1；//hex'1'

5'b10100：decodemap_5B4B=5'h2；//hex'2'

5'b10101：decodemap_5B4B=5'h3；//hex'3'

5'b01010：decodemap_5B4B=5'h4；//hex'4'

5'b01011：decodemap_5B4B=5'h5；//hex'5'

5'b01110：decodemap_5B4B=5'h6；//hex'6'

5'b01111：decodemap_5B4B=5'h7；//hex'7'

5'b10010：decodemap_5B4B=5'h8；//hex'8'

5'b10011：decodemap_5B4B=5'h9；//hex'9'

5'b10110：decodemap_5B4B=5'hA；//hex'A'

5'b10111：decodemap_5B4B=5'hB；//hex'B'

5'b11010：decodemap_5B4B=5'hC；//hex'C'

5'b11011：decodemap_5B4B=5'hD；//hex'D'

5'b11100：decodemap_5B4B=5'hE；//hex'E'

5'b11101：decodemap_5B4B=5'hF；//hex'F'

以下為非字符的譯碼：

5'b11000：decodemap_5B4B=J；

5'b10001：decodemap_5B4B=K；

5'b01101：decodemap_5B4B=T；

5'h1F：decodemap_5B4B=I；

當(dāng)檢測的JK時，標(biāo)志著一幀的開始，檢測到TT時，為一幀的結(jié)束。

圖5 M-BUS物理層幀格式

M-BUS通信協(xié)議鏈路層SYNC數(shù)據(jù)域表示同步頭固定字符“0x33，0x33”。JK數(shù)據(jù)域表示幀起始字符，DATA數(shù)據(jù)域?yàn)閼?yīng)用數(shù)據(jù)段，F(xiàn)CS數(shù)據(jù)域是為了校驗(yàn)CRC而設(shè)立的，其值等于幀中除同步符SYNC，起始符JK和結(jié)束符TT域外的所有各域的CRC32校驗(yàn)和，位于TT前。ED數(shù)據(jù)域?yàn)閹Y(jié)束標(biāo)志符。

圖6 M-BUS鏈路層數(shù)據(jù)幀格式

M-BUS在周期開始時，主節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送請求信號給各從節(jié)點(diǎn)，要求從節(jié)點(diǎn)在600bit時間內(nèi)應(yīng)答。

圖7 M-BUS鏈路過程

3 性能評估

3.1 測試環(huán)境

本文采用Linux操作系統(tǒng)和Microsemi公司的IGLOO2系列M2GL090-FG484I器件FPGA搭建了軟件驗(yàn)證平臺，通過編寫大量測試程序在電廠系統(tǒng)上對其進(jìn)行測試，以此來驗(yàn)證對所設(shè)計(jì)M-BUS總線的正確性。

3.2 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的M-BUS總線協(xié)議的正確性，編寫大量的測試?yán)訉偩€進(jìn)行測試。圖8是通過向DUT輸入50MHz時鐘，通過station_in、rack_in和slot_in對DUT連續(xù)輸入3組ID信息，待DUT完成初始化后，在運(yùn)行模式下運(yùn)行下裝模式功能，通過波形查看M-BUS的性能。

圖8 M-BUS性能測試

測試由波形看出M-BUS通信速率為12.5Mb?ps，數(shù)據(jù)傳輸正確，M-BUS性能正確。

對M-BUS接口布局布線后的網(wǎng)表進(jìn)行分析。

圖9 M-BUS接口測試

圖9 中兩級同步寄存器的時鐘具有固定相位關(guān)系，因此做同步處理正確。

4 結(jié)語

在本文中，提出了M-BUS總線協(xié)議的架構(gòu)設(shè)計(jì)，分別對M-BUS總線應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層進(jìn)行了自定義協(xié)議設(shè)計(jì)，該協(xié)議是開放的，只要遵循此協(xié)議的板卡都可該總線兼容，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用場景擴(kuò)展，并且該總線協(xié)議借鑒了傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)，具有穩(wěn)定性高、安全性高、實(shí)時精準(zhǔn)等特點(diǎn)。此外，通過Linux操作系統(tǒng)和Microsemi公司的IGLOO2系列器件FPGA搭建了軟件驗(yàn)證平臺，完成了對M-BUS總線性能測試和接口測試，作為一種高效穩(wěn)定的通信協(xié)議，該總線協(xié)議可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程抄表、維護(hù)監(jiān)控等領(lǐng)域。