風(fēng)機(jī)控制器串口通信問題分析定位的流程及方法

邵鵬程，姜智銳，杜國斌，顧開祥

（上海中廣核工程科技有限公司 新產(chǎn)品研發(fā)部，上海，200241）

0 引言

在風(fēng)電行業(yè)中有CANBus、EtherCat、ProfiBus等豐富的總線形式，其中風(fēng)電主控系統(tǒng)中還是廣泛應(yīng)用了RS-232、RS-485等串行通信形式[1]。其根本原因就是這些串行通信的兼容性較好、簡單易用、成本低廉，能夠提供簡單的點(diǎn)對點(diǎn)以及點(diǎn)對多點(diǎn)的以字節(jié)為單位的通信[2]。

以2021年風(fēng)機(jī)控制器改造的某1.5MW樣機(jī)為例，主要外圍設(shè)備及所用通信方式如表1所示，可見串口通信在老舊風(fēng)機(jī)中使用頻率極高。

表1 某1.5MW機(jī)型主控系統(tǒng)外圍設(shè)備通訊方式

串口通信也有一些不足，其通信雙方波特率等各項(xiàng)通訊參數(shù)匹配程度要求嚴(yán)格，常用的RS485是半雙工通信方式，可能出現(xiàn)總線沖突情況。因此在風(fēng)機(jī)控制器與串口設(shè)備適配過程中，常出現(xiàn)誤碼、斷幀以及通信丟包等情況。由于現(xiàn)場通信設(shè)備種類較多，故障現(xiàn)象和體現(xiàn)形式各異，因此在應(yīng)用過程中一旦出現(xiàn)通信問題常常需要投入大量的精力進(jìn)行故障定位分析。因此本文以工業(yè)現(xiàn)場中風(fēng)機(jī)控制器與串口設(shè)備通信幾項(xiàng)問題作為分析案例，對串口通信問題的現(xiàn)象及、原因和排查分析方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)，形成一般性的串口問題定位方法。本文基于風(fēng)機(jī)主控改造過程中風(fēng)機(jī)控制器與各類串口設(shè)備的通信問題解決的成功經(jīng)驗(yàn)，建立并提出了串口通信問題定位的系統(tǒng)流程及方法，可以為后續(xù)風(fēng)機(jī)控制器配套及主控系統(tǒng)改造過程中，串口設(shè)備通信問題的分析定位提供系統(tǒng)流程及方法。

1 串口通信標(biāo)準(zhǔn)

串口通信是風(fēng)機(jī)控制器與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換最常用方式。常見的串口協(xié)議包括RS-232、RS-485和RS-422，協(xié)議規(guī)定了串口通信的接口電路的電氣特性，包括傳輸方式、有效正負(fù)電平值等[3]。串口通信按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。

串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對于兩個進(jìn)行通信的設(shè)備，這些參數(shù)必須匹配[4]：

(1)波特率：這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。工業(yè)現(xiàn)場常用波特率9600、19200、38400等，高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信。

(2)數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計算機(jī)發(fā)送一個信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼），那么每個數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。

(3)停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸在線定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機(jī)校正時鐘同步的機(jī)會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

(4)奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒有校驗(yàn)位也是可以的。對于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶數(shù)個或者奇數(shù)個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機(jī)會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。

2 風(fēng)機(jī)控制器已解決串口通信問題

在風(fēng)機(jī)控制器與串口設(shè)備適配過程中由于串口通信異常而導(dǎo)致的現(xiàn)場故障現(xiàn)象可謂是五花八門，如表2所示。

表2 風(fēng)機(jī)控制器適配問題中串口通訊問題

故障現(xiàn)象概況起來有以下幾類：

(1)通信中斷、超時；

(2)數(shù)據(jù)幀中軟心跳超時；

(3)被控制設(shè)備動作執(zhí)行滯后；

(4)各類通信故障字故障；

(5)被控設(shè)備狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)異常，等等。

雖然現(xiàn)象各異但是實(shí)際對于串口通信而言基本可以歸因于表3所示的幾種基本串口故障類型。

表3 基本故障及可能原因

在通過故障現(xiàn)象確定故障類型后最耗費(fèi)人力和時間的是定位故障側(cè)以及故障的根本原因?；谏鲜鲲L(fēng)機(jī)主控改造過程中各類串口設(shè)備的通信問題解決的成功經(jīng)驗(yàn)，本文歸納了一套方便串口通信問題分析定位的一般性系統(tǒng)流程和通用性方法。

3 串口通信問題分析定位的一般方法

在排查工作開展前首先確認(rèn)連接器無斷路，并根據(jù)屏蔽接地和結(jié)構(gòu)件連接規(guī)范對物理鏈路進(jìn)行確認(rèn)。如果物理連接有異常，則首先完成連接件的替換和緊固。由物理鏈路斷開導(dǎo)致的問題后續(xù)分析中不再展開。

在處理了多項(xiàng)串口通信故障后，發(fā)現(xiàn)故障分析定位的手段和步驟有許多共同之處。串口通信問題分析定位的一般步驟可以分為：收集故障信息，建立研究對象模型，根據(jù)系統(tǒng)繪制故障樹，總線數(shù)據(jù)監(jiān)聽，進(jìn)行故障分析定位。

圖1 串口通信問題分析一般步驟

3.1 建立研究對象模型

主控系統(tǒng)涉及范圍較廣，報出的故障形態(tài)多樣與實(shí)際故障點(diǎn)相去甚遠(yuǎn)，對于控制器適配和調(diào)試工作造成很大的壓力，因此首先需要根據(jù)報出的故障碼，通過應(yīng)用程序內(nèi)的故障邏輯確立研究對象，并將研究對進(jìn)行簡化。

一般可以將風(fēng)機(jī)中串口通信問題的研究對象抽象為“風(fēng)機(jī)控制器-通信鏈路-被控對象”的點(diǎn)對點(diǎn)模型。通常風(fēng)機(jī)控制器作為主站，設(shè)備作為從站。主站一般會按照一個既定周期發(fā)出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容基于設(shè)備商自定義的協(xié)議，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時控制器會根據(jù)應(yīng)用程序切換數(shù)據(jù)內(nèi)容。

通過建立研究對象模型可以從復(fù)雜的主控系統(tǒng)中將故障相關(guān)的通信對象獨(dú)立成一個小系統(tǒng)，僅考慮這個小系統(tǒng)內(nèi)部的通信機(jī)制和各項(xiàng)因素，縮小故障定位范圍。

圖2 控制器與串口設(shè)備點(diǎn)對點(diǎn)通信示意圖

3.2 故障樹分析

結(jié)合通訊模型的故障形式可以繪制故障樹。

表4 故障樹對應(yīng)故障排查方法

圖3 點(diǎn)對點(diǎn)串口通信問題故障樹

3.3 排查方法

3.3.1 總線監(jiān)聽

當(dāng)串口通信故障發(fā)生時，最直接有效的定位手段就是對串行總線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽，一般采用示波器和上位機(jī)串口助手進(jìn)行監(jiān)聽。

對于點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)，可從串行總線上并接一路監(jiān)聽線到調(diào)試電腦和示波器端，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽。

示波器可以觀察總線上信號質(zhì)量，獲取準(zhǔn)確的信號波形，上位機(jī)串口助手可以解析數(shù)據(jù)包內(nèi)容，兩者結(jié)合再根據(jù)通信雙方應(yīng)答協(xié)議可以對發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容的準(zhǔn)確性分析。

圖4 監(jiān)測方法示意圖

對于示波器獲取的波形信號可以關(guān)注以下幾點(diǎn)：

波形電平和質(zhì)量；數(shù)據(jù)響應(yīng)時長；數(shù)據(jù)包字節(jié)間隔；有無雜波干擾。

上位機(jī)串口助手能夠?qū)⒖偩€信號解析為數(shù)據(jù)內(nèi)容，在了解設(shè)備廠家定義的通信協(xié)議后可以確定監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)包來源是哪個設(shè)備，以及是否存在誤碼。對于抓包數(shù)據(jù)分析可以關(guān)注以下幾點(diǎn)：

(1)主站是否按預(yù)期周期發(fā)起請求，數(shù)據(jù)是否完整，是否存在誤碼或斷幀；

(2)被控設(shè)備應(yīng)答時間，從站是否及時響應(yīng)數(shù)據(jù)；

(3)在持續(xù)監(jiān)測過程中是否有偶發(fā)的通信中斷；

(4)從站響應(yīng)數(shù)據(jù)是否完整是否存在誤碼或斷幀情況。

3.3.2 模擬收發(fā)

使用上位機(jī)對通信設(shè)備進(jìn)行模擬收發(fā)是確認(rèn)通訊雙方設(shè)備是否處于正常通信狀態(tài)的有效手段，可以進(jìn)一步縮小排查對象的范圍。但是模擬收發(fā)沒法進(jìn)行高頻收發(fā)。即使擁有應(yīng)用程序，使用上位機(jī)控制風(fēng)機(jī)控制器進(jìn)行收發(fā)，由于程序中某些執(zhí)行條件無法滿足，模擬收發(fā)還是無法進(jìn)行協(xié)議內(nèi)容的自動切換，無法模擬通訊系統(tǒng)的動態(tài)通信過程。

圖5 模擬收發(fā)設(shè)備連接

3.4 故障側(cè)判斷流程

基于故障樹并可以按以下流程逐層對串口通信故障進(jìn)行分析和定位。A層對象包括風(fēng)機(jī)控制器、串口設(shè)備及物理連接鏈路，通過A層定位可確定故障對象縮小排除范圍。B層對象為A層對象下屬可能失效部分，通過B層定位可以初步完成故障原因定位。

通過故障樹結(jié)合排查總線監(jiān)聽和模擬收發(fā)等排查方法基本上可以將故障所在范圍逐級減小，最終實(shí)現(xiàn)故障的定位。

圖6 串口通信問題定位分析流程圖

4 實(shí)例分析

現(xiàn)場案例2變槳控制異響

4.1 故障現(xiàn)象

使用風(fēng)機(jī)控制器對變槳系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)槳控制時會有異響，能通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的聲音明顯分辨出調(diào)槳過程中速度快慢不勻的情況。

4.2 測試環(huán)境搭建

由于被控對象變槳系統(tǒng)是動態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)環(huán)境中無法構(gòu)建出動態(tài)通信交互過程，為了直觀定位和驗(yàn)證問題解決，協(xié)調(diào)了一套帶輪轂的變槳系統(tǒng)作為測試環(huán)境。

連接參數(shù)如下：

電平規(guī)范：RS485；

數(shù)據(jù)位：8位；

起始/停止位：各1位；

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波特率：19200。

4.3 排查分析

（1）確定系統(tǒng)對象

研究的對象系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)控制器和變槳系統(tǒng)（變槳控制器加上執(zhí)行機(jī)構(gòu)），風(fēng)機(jī)控制器每80ms發(fā)送一條槳角控制指令，變槳系統(tǒng)根據(jù)指令執(zhí)行變槳，并回復(fù)指令。

（2）繪制故障樹

由于涉及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故障樹中增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障可能性?；谠撓到y(tǒng)結(jié)合故障現(xiàn)象，制作故障樹。

（3）通訊系統(tǒng)外故障排除

通過替換原控制器進(jìn)行調(diào)槳對比，未發(fā)現(xiàn)調(diào)槳過程中有速度不勻的異響，結(jié)合業(yè)主反饋的樣機(jī)的風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)維護(hù)過程中未見異常，由此排除變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)端的故障。

A層定位

圖7 變槳異響故障樹

在故障系統(tǒng)中進(jìn)行總線監(jiān)聽，總線數(shù)據(jù)顯示控制器收發(fā)周期為160ms與預(yù)期通訊周期80ms不符。從站收到數(shù)據(jù)后回復(fù)數(shù)據(jù)時間在25ms左右，數(shù)據(jù)包未見斷幀現(xiàn)象。因此A層定位故障應(yīng)處于風(fēng)機(jī)控制器側(cè)。

圖8 總線監(jiān)聽數(shù)據(jù)

B層故障定位

①風(fēng)機(jī)控制器硬件檢查

首先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用測試用例對風(fēng)機(jī)控制器硬件模塊進(jìn)行模擬收發(fā)測試，模塊485通信模式下數(shù)據(jù)收發(fā)正常，無異?，F(xiàn)象。控制器硬件無異常

②串口參數(shù)檢查

程序中設(shè)置串口參數(shù)與通訊要求一致。

③串口收發(fā)函數(shù)排查

調(diào)槳速率不均勻考慮兩方面原因，一方面是主控程序邏輯運(yùn)算后的調(diào)槳角度是否均勻，另一方面主控計算出的調(diào)槳角度對外通信需要調(diào)用風(fēng)機(jī)控制器庫函數(shù)，若庫函數(shù)調(diào)用不當(dāng)會出現(xiàn)丟包情況。經(jīng)排查，程序中write函數(shù)調(diào)用方法與控制器串口發(fā)送特性不匹配導(dǎo)致丟包。

（4）原因分析

由函數(shù)調(diào)用機(jī)制可知，在應(yīng)用程序中中第一次執(zhí)行write函數(shù)體時，CPU雖然已經(jīng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去了，但是仍至少要再執(zhí)行一次函數(shù)體才能完成底層發(fā)送流程。因此若按原應(yīng)用程序代碼中使用80ms計時器標(biāo)志位控制write函數(shù)體執(zhí)行會導(dǎo)致50%嚴(yán)重丟包。

若出現(xiàn)嚴(yán)重丟包，則調(diào)槳的角度梯度平滑性會受影響，預(yù)計會導(dǎo)致變槳過程中出現(xiàn)卡頓速度不勻等情況。

圖9

（5）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

調(diào)整應(yīng)用程序中串口發(fā)送函數(shù)用法后再次通過總線數(shù)據(jù)抓包，串口數(shù)據(jù)發(fā)送周期滿足控制要求，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)無異響。

圖10 修改發(fā)送函數(shù)調(diào)用方法后數(shù)據(jù)

（6）分析結(jié)論

綜上所述，變槳系統(tǒng)調(diào)槳速率不均勻的直接原因?yàn)?，風(fēng)機(jī)控制器與變槳控制器之間通信丟包導(dǎo)致調(diào)槳步長拉長，而通信丟包是由于應(yīng)用程序?qū)ile_Write庫函數(shù)的調(diào)用方法不當(dāng)。

5 總結(jié)

本文通過梳理串口通信標(biāo)準(zhǔn)，基于風(fēng)機(jī)主控改造過程中風(fēng)機(jī)控制器與各類串口設(shè)備的通信問題解決的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了串口通信問題定位的一般性流程及方法。經(jīng)過實(shí)踐，根據(jù)該流程及方法，可提升串口通信問題的定位分析效率，節(jié)約現(xiàn)場工程師調(diào)試時間。