基于智能通信控制器的串行通信系統(tǒng)的抗干擾設計
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電力系統(tǒng)運行的安全與否與系統(tǒng)當時的運行狀態(tài)有密切的關系，對于電力調(diào)度部門來說，如果能實時地全面掌握電力系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)，進行遠程監(jiān)測，對保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行無疑具有十分重要的意義。電力遠程監(jiān)測一般采用串行方式進行通信，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸是其最重要的技術指標之一。由于工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境以及配電系統(tǒng)的遠距離傳輸，干擾是產(chǎn)生偶然性錯誤和影響整個系統(tǒng)可靠運行的主要原因。提高系統(tǒng)的抗干擾能力是電力遠程監(jiān)控的一個重要的研究方向。
系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)是一個上下位機形式的工業(yè)配電測控系統(tǒng)，根據(jù)功能需要，下位機選用了控制功能比較強大的研華IPC-610工業(yè)控制計算機(IPC： Industrial Personal Computer)，其具有近二十個ISA插槽和PCI插槽的無源總線底板以及相應的CPU板、I/O板等，可以將系統(tǒng)的各個模塊如A/D轉換、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，方便地擴展成一個復雜的控制系統(tǒng)。選用了兩塊PC-6313多功能模擬輸入/模擬輸出板卡，配接相應的傳感器和執(zhí)行機構來完成所承擔的工作。各下位機能夠根據(jù)需要對多路模擬量、開關量進行檢測和控制。本系統(tǒng)根據(jù)需要對64路模擬量(電壓、電流、功率因素、有功功率、無功功率等)和16路開關量(各出線開關分合閘狀態(tài)、補償電容器的狀態(tài)等)進行檢測，可以對16路開關量進行輸出控制(開關、電磁閥、繼電器)。其結構框圖如圖1所示。
圖1 下位機系統(tǒng)框圖
上位機可選普通PC，也可根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境，選擇和下位機一樣的IPC。上位機可以發(fā)出指令和任何一臺與之相連的下位機進行通信，收集各下位機傳送來的模擬量和開關量信息，進行相關的分析、匯總、報表生成等處理，并對各下位機子系統(tǒng)進行監(jiān)控和宏觀調(diào)度。
配電測控系統(tǒng)中，上下位機距離較遠，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用了RS-485串行通信總線標準。RS-485總線采用差分傳送，具有傳輸距離遠、接點多、連線少的特點，已成為分布式監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。IPC沒有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)的可靠性和實時性，本系統(tǒng)實際使用的是7521D模塊，7521D模塊上有5個七段數(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，設計為1臺上位機控制8臺下位機，也可根據(jù)配電系統(tǒng)的實際需要進行擴充。
7521智能通信控制器簡介
7521功能簡介
7521是泓格公司的752N智能通信控制器中的一種，可支持一個RS-232設備。模塊內(nèi)嵌AMD公司的Am188TMES控制器，裝有MiniOS7嵌入式操作系統(tǒng)。可以為RS-485網(wǎng)絡的任何一個RS-232設備，分配一個唯一的地址。模塊內(nèi)含雙看門狗電路：一個硬件模塊看門狗和一個軟件主機看門狗，保護主機和7521模塊。同時其RS-485端具有3000V高壓隔離，可有效防止工業(yè)噪聲干擾。
7520模塊是一個普通的RS-232/RS-485電平轉換器，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，一種是開發(fā)工作模式，一種是正常工作模式。
在開發(fā)模式時，把7521的COM1口(RS-232)接到PC的串口并通過設置好通信格式后，7521將把PC的鍵盤作為其標準的輸入，PC的顯示器作為其標準的輸出。在此方式下，可進行系統(tǒng)參數(shù)的配置和用戶程序的下載。
在正常工作模式時，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，7521在其FLASH ROM中已經(jīng)預裝了兩個文件：AUTOEXEC.EXE和7521.EXE，開機后可由AUTOEXEC.EXE文件自動加載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用程序到7521中以改變7521的功能。
7521模塊功能命令簡述
7521的命令分為主控計算機發(fā)送給模塊的命令和模塊收到命令后的響應兩部分。
發(fā)送部分的命令格式：(前導字符)(地址)(CHK)(CR)，各項分別解釋如下。
①(前導字符）：1個字節(jié)，表明命令的類型。模塊的控制命令通常被分成幾個不同的類型，通過前導字符使用一些特殊字符，如$、#、～等進行分類。
②(地址)：兩個字節(jié)，表示命令將送至的模塊。地址范圍為00～FF，因此有256個地址。
③(命令)：1個或多個字節(jié)，指定模塊執(zhí)行的命令。這些命令通常使用不同的數(shù)字來表示不同的功能。
④(CHK)：冗余校驗和(CheckSum),使用程序?qū)⑺袀鬏數(shù)淖址贏SCII對照碼中的地址數(shù)值相加，保留最后的一個字節(jié)，拆成前后兩個字符做為校驗值。
⑤(CR)：Enter鍵，VB中為vbCr，表示命令的結束。
7521收到命令后，多數(shù)情況下會返回給主機一個響應字符串。該響應字符串格式：(前導字符)(地址)(數(shù)據(jù))(CHK)(CR)
響應字符串(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個實用命令，提供了較為完善的驅(qū)動程序。用戶無須自己編寫通信協(xié)議，只需按操作手冊在主站計算機上安裝好7521.exe及相關檔案文件，正確連接計算機和7521模塊，初始化后即可以開始工作。
上下位機通信系統(tǒng)抗干擾設計
雖然RS-485總線標準具有較強的抗干擾能力，但在實際使用過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境的惡劣、電磁干擾等情況，仍然會影響通信的可靠性，最典型的問題便是數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)誤碼，嚴重的可能出現(xiàn)死機。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計兩方面進行了抗干擾設計。
系統(tǒng)通信硬件抗干擾措施
在硬件線路上，主要是從隔離、接口標準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)動器和差分接收器的組合，同時采用屏蔽的雙絞線，抗噪聲干擾性能較好。
(2)通信過程中，由于阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配，可能會導致信號反射，影響信號的傳輸距離。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120Ω的匹配阻抗以消除信號反射。
(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)轉換后的電源，電源在轉換前后有3000V的隔離措施。由于噪聲的來源大多來自電源端，強大的噪聲會循著電源線進入模塊內(nèi)部，但只要此干擾在保護范圍內(nèi)，即可保證RS-232端的設備不被損壞，從而達到保護主控計算機的目的。
7521的保護原理和7520一樣，可以保護下位計算機不受RS-485網(wǎng)絡中的噪聲干擾。
系統(tǒng)通信軟件抗干擾措施
在實際系統(tǒng)設計中，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，離不開硬件和軟件的協(xié)調(diào)工作。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，在軟件設計時也必須采取一定的措施。
(1)7521智能通信控制器具有CheckSum校驗功能。在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用累加和校驗方式，可大大降低了數(shù)據(jù)傳輸出錯率。CheckSum的計算方法如圖4和圖5所示。
圖4 輸出命令時的累加和校驗流程
圖5 檢查返回結果的累加和校驗流程
例如發(fā)送的命令字符串是$012[Enter]，分別將前導字符($)、地址(01)、命令(2)三者的ASCII值相加，結果如下：
CheckSum=0
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