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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(jī)系統(tǒng)信號(hào)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(chǔ)器、8k字節(jié)SRAM，以及一個(gè)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(shí)鐘源可使器件的功耗達(dá)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(gè)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(hào)包括來自UART的HART調(diào)制輸入TXD、HART解調(diào)輸出RXD、請(qǐng)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(fù);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(dòng)和調(diào)制輸出電流;被耦合到LOOP+端的HART信號(hào)通過一個(gè)簡單的有源RC濾波器輸入到AD5700的ADC_IP引腳;DVDD為AD5421對(duì)外部提供的3.3V供電電壓;AD5700通過一個(gè)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(jìn)行耦合;HART調(diào)制解調(diào)器的時(shí)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(jì)

HART通信接口的軟件設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(jī)或手操器)發(fā)來的命令后才會(huì)作出應(yīng)答。為了能及時(shí)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(yùn)行，HART協(xié)議通信程序主要由串口接收發(fā)送中斷實(shí)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(jìn)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(jī)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(dòng)接收并關(guān)閉載波檢測中斷，程序進(jìn)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(jìn)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(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一條主機(jī)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(jī)之間的通信，可以使主機(jī)完成對(duì)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(hào)和HART信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過RS232HART轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)通信。上位機(jī)軟件采用第三方HART通信軟件，測試結(jié)果表明可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)HART通信，并能實(shí)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(jì)，也能正確進(jìn)行多點(diǎn)HART通信，完全達(dá)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(dòng)程序

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）19-4429-04

隨著控制、計(jì)算機(jī)、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(dòng)、開發(fā)的各個(gè)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(dòng)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)。現(xiàn)場總線的關(guān)鍵標(biāo)志是能夠支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。

本設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)上層控制系統(tǒng)對(duì)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(hào)隔離，信號(hào)調(diào)理技術(shù)。該模塊提供通信檢測顯示功能，可提供獨(dú)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(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)。該協(xié)議定義了控制器能識(shí)別和使用的信息結(jié)構(gòu)。當(dāng)在ModBus網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通訊時(shí)，協(xié)議能使每一臺(tái)控制器知道它本身的設(shè)備地址，并識(shí)別對(duì)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(shí)，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(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)嵌入式ModBus協(xié)議信息與此網(wǎng)絡(luò)中用子節(jié)點(diǎn)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(tái)控制器作為主機(jī)設(shè)備發(fā)送一個(gè)信息，則可從一臺(tái)從機(jī)設(shè)備返回一個(gè)響應(yīng)，類似，當(dāng)一臺(tái)控制器接受信息時(shí)，它就組織一個(gè)從機(jī)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(jì)

2.1 電源電路

電源電路模塊主要對(duì)模塊的電源部分進(jìn)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(shí)進(jìn)行EMC防護(hù)。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(hù)負(fù)載免遭高電壓瞬變的損壞。它能夠通過控制一個(gè)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(gè)安全的數(shù)值上，從而允許負(fù)載繼續(xù)運(yùn)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(gè)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(shí)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(hào)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(dòng)器和一個(gè)帶三態(tài)輸入的RS485差分接收器。節(jié)點(diǎn)數(shù)可允許多達(dá)256個(gè)，最高傳輸速率可達(dá)500Kbps。 iCoupler磁隔離技術(shù)是ADI公司的一項(xiàng)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(jì)

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(gè)軟件模塊的準(zhǔn)備工作已經(jīng)相應(yīng)接口的驅(qū)動(dòng)程序。之后要進(jìn)行寫入指令和寫入數(shù)據(jù)的步驟。

整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)由幾個(gè)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(jì)說明

該函數(shù)為整個(gè)軟件架構(gòu)的主函數(shù)，在進(jìn)入主函數(shù)之前，由編譯器自動(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)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(shí)要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)ModBus-RTU格式進(jìn)行。圖6是該函數(shù)的程序流程圖。

3.3 exchange（）函數(shù)設(shè)計(jì)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(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上完成了硬件設(shè)計(jì)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(shí)踐結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)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(dòng)的需要。

參考文獻(xiàn)：

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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(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行升級(jí)，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)，比如在遠(yuǎn)程就可實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度、光照等情況，可實(shí)現(xiàn)天窗開閉、風(fēng)機(jī)運(yùn)行和水簾降溫等程序的遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)控制。在實(shí)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(duì)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(jì)算機(jī)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(yuǎn)程服務(wù)器，就需要增加設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換；4）大量傳感器接入到服務(wù)器，會(huì)增加服務(wù)器的負(fù)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(diǎn)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(jì)和實(shí)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(yuǎn)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(dòng)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(dòng)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(jí)單片機(jī)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(yuǎn)程服務(wù)，需要使用遠(yuǎn)程通信技術(shù)，主要包括Internet通信、移動(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)變送器或采集器進(jìn)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(jìn)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(jī)、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(yuǎn)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(jìn)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(yuǎn)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(gè)WiFi接口、1個(gè)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(yuǎn)程服務(wù)器。2）下行接口：具有1個(gè)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(gè)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(jì)

本方案的網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jì)接口電路、編寫模塊驅(qū)動(dòng)程序。

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1主控模塊主控模塊以32位高級(jí)單片機(jī)STM32F407ZG為控制核心，該單片機(jī)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(kuò)展RAM，具有3個(gè)I2C接口、6個(gè)UART接口、2個(gè)SPI接口、1個(gè)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(gè)WiFi通信、1個(gè)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(gè)WiFi通信模塊、1個(gè)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(chǔ)、顯示部分主控模塊通過FSMC接口連接IS62WV51216擴(kuò)展RAM，可存儲(chǔ)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(chǔ)；通過I2C接口I2C1連接EPROM存儲(chǔ)器24C02，可存儲(chǔ)256×8（2kbits）大小的數(shù)據(jù)，用于存儲(chǔ)配置參數(shù)；通過SDIO連接SD卡，用于存儲(chǔ)運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)具有1個(gè)電源指示燈、1個(gè)運(yùn)行狀態(tài)指示燈、1個(gè)上行接口通信指示燈、1個(gè)下行接口通信指示燈，主控模塊通過4個(gè)IO口驅(qū)動(dòng)4個(gè)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(fù)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(jì)

2.2.1軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和方案軟件設(shè)計(jì)主要包括：通信接口驅(qū)動(dòng)程序、模塊的驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在系統(tǒng)層已經(jīng)實(shí)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(shí)本方案的硬件支持運(yùn)行RTOS，因此采用基于RTOS進(jìn)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(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，軟件的結(jié)構(gòu)從下到上分成：硬件驅(qū)動(dòng)層、模塊驅(qū)動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用層。硬件驅(qū)動(dòng)層完成對(duì)硬件的配置和驅(qū)動(dòng)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的配置、IO的配置、UART接口的驅(qū)動(dòng)、SPI接口的驅(qū)動(dòng)、I2C接口的驅(qū)動(dòng)、FSMC接口的驅(qū)動(dòng)等。模塊驅(qū)動(dòng)層完成對(duì)通信模塊、存儲(chǔ)模塊等外接模塊的配置和驅(qū)動(dòng)，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(dòng)，下行接口中的WiFi通信模塊、RS485通信模塊等的驅(qū)動(dòng)，存儲(chǔ)模塊的驅(qū)動(dòng)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(chǔ)等。

2.2.3任務(wù)的分配和調(diào)度系統(tǒng)使用了FREE—RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在RTOS系統(tǒng)層采用分時(shí)調(diào)度的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)線程（簡稱線程）的切換。系統(tǒng)分配6個(gè)線程，各線程優(yōu)先級(jí)一致，由RTOS系統(tǒng)分時(shí)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(gè)線程執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)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(chǔ)任務(wù)；線程6完成信息采集任務(wù)。由于各個(gè)線程是無限循環(huán)并且是并行執(zhí)行的，為了對(duì)各個(gè)線程進(jìn)行監(jiān)測，取一個(gè)狀態(tài)字并為每個(gè)線程設(shè)定一個(gè)狀態(tài)位。每個(gè)線程在循環(huán)一輪都給對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位置位，線程1每隔100ms要對(duì)各個(gè)線程的狀態(tài)位進(jìn)行檢測。如果所有線程對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位都置位，則清零狀態(tài)字并驅(qū)動(dòng)狀態(tài)指示燈亮或滅。因此系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，狀態(tài)指示燈是閃爍的。

3主要功能的設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)的主要功能。

3.1上行接口的設(shè)計(jì)

上行接口主要是連接遠(yuǎn)程服務(wù)，需要使用遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)，在模塊驅(qū)動(dòng)層通過對(duì)模塊的配置，可以啟動(dòng)相關(guān)功能，因此在硬件設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行配置。HTTP、Modbus等運(yùn)行在TCP之上，屬于應(yīng)用層協(xié)議，由主控模塊實(shí)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(shí)現(xiàn)以下功能：1）使用的是HTTP協(xié)議對(duì)網(wǎng)關(guān)參數(shù)的配置和查詢：網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)一個(gè)WebServer，可以處理HTTP協(xié)議的GET方法請(qǐng)求。通過瀏覽器打開配置頁面對(duì)參數(shù)進(jìn)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(qǐng)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(bào)文使用的是Modbus-RTU格式。

3.2下行接口的設(shè)計(jì)

下行接口主要是連接傳感器、下級(jí)網(wǎng)關(guān)，包括1個(gè)WiFi接口、1個(gè)RS485接口。WiFi接口配置成AP模式，下級(jí)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(gè)AP。在通信上，配置成TCPServer，打開監(jiān)聽端口，下級(jí)網(wǎng)關(guān)、傳感器作為TCPClient連接到這個(gè)端口，使用TCP協(xié)議進(jìn)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(jī)模式，由網(wǎng)關(guān)發(fā)起通信。RS485通信的校驗(yàn)位和波特率等參數(shù)設(shè)計(jì)成可配置以適應(yīng)實(shí)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(shí)候，會(huì)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(jí)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(jì)

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(gè)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(gè)就是協(xié)議轉(zhuǎn)換。整個(gè)過程就是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，運(yùn)行的時(shí)候根據(jù)配置執(zhí)行下列模式中的一個(gè)模式：模式1為直接透傳模式。運(yùn)行此模式的時(shí)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(gè)端口，數(shù)據(jù)將依次轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)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(yùn)行此模式的時(shí)候，會(huì)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議核對(duì)，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(jí)聯(lián)功能的設(shè)計(jì)

級(jí)聯(lián)功能可以給系統(tǒng)帶來靈活性，通過級(jí)聯(lián)功能可以實(shí)現(xiàn)：通信的中繼進(jìn)而達(dá)到延長通信距離的功能；分級(jí)擴(kuò)展進(jìn)而達(dá)到擴(kuò)大接入能力的功能；分組接入進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和簡化系統(tǒng)管理。本系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)功能通過WiFi通信接口實(shí)現(xiàn)：本級(jí)網(wǎng)關(guān)的上行WiFi模塊打開STA模式，上級(jí)網(wǎng)關(guān)的下行WiFi模塊打開AP模式；本級(jí)網(wǎng)關(guān)的上行WiFi接入到上級(jí)網(wǎng)關(guān)的下行WiFi；上級(jí)網(wǎng)關(guān)把本機(jī)網(wǎng)關(guān)看成一個(gè)傳感器終端，本機(jī)網(wǎng)關(guān)把上級(jí)網(wǎng)關(guān)看成一個(gè)服務(wù)器；按正常的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換。級(jí)聯(lián)之后的系統(tǒng)，只有一個(gè)頂級(jí)網(wǎng)關(guān)連接到服務(wù)器。從頂級(jí)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(jí)的級(jí)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(huì)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(yuǎn)動(dòng)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(diǎn)是具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸流量大、便于信息擴(kuò)展、支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。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(bào)文有3種類型：用于編號(hào)的信息傳輸（I格式）、編號(hào)的監(jiān)視功能（S格式）和未編號(hào)的控制功能（U格式）。I格式幀：控制域第1個(gè)八位位組組的第一位比特=0。I格式的APDU包含1個(gè)ASDU（應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)單元）。S格式幀：控制域第1個(gè)八位位組的第1個(gè)比特位=1，且第2個(gè)比特位=0。S幀只包括APCI。U格式幀：控制域第1個(gè)八位位組的第1個(gè)比特位=1，且第2個(gè)比特位=1。U幀也只包括APCI。104協(xié)議通過發(fā)送序號(hào)N(S)和接收序號(hào)N(R)機(jī)制來防止報(bào)文的丟失和報(bào)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(gè)I格式報(bào)文，其發(fā)送序號(hào)加1，接收方每接收到一個(gè)與其接收序號(hào)相等的I格式報(bào)文后，其接收序號(hào)也加1。接收方通過比較接收到的I格式報(bào)文發(fā)送序號(hào)N(S)與自己的接收序號(hào)R(S)是否相等來判斷是否存在報(bào)文丟失或重傳的情況。當(dāng)接收方收到發(fā)送序號(hào)大于自己接收序號(hào)的I格式報(bào)文時(shí)，意味著報(bào)文在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)存在丟包。當(dāng)接收方收到發(fā)送序號(hào)小于自己接收序號(hào)的I格式報(bào)文時(shí)，意味著報(bào)文在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)存在重傳。當(dāng)接收方收到正確的I格式報(bào)文時(shí)，向發(fā)送方發(fā)送S格式報(bào)文進(jìn)行確認(rèn)。如果發(fā)送方的I格式報(bào)文長時(shí)間沒有在對(duì)方的接收序號(hào)中得到確認(rèn)，則意味著發(fā)生了報(bào)文丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷。

提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的優(yōu)化方法

提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的方法有多種，總體可分為升級(jí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)電氣監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的提升。

（一）IEC60870-5-103協(xié)議的實(shí)時(shí)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(qiáng)，傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)繼電保護(hù)裝置與監(jiān)控系統(tǒng)在同一個(gè)變電站內(nèi)或距離較近時(shí)，光纖接口與EIARS485接口的傳輸速度差別可忽略不計(jì)。采用光纖接口和EIARS485接口在通信鏈路拓?fù)渖鲜窍嗤?，因此光纖接口與EIARS485接口的分析方法是一致的。下面重點(diǎn)對(duì)EIARS485接口進(jìn)行分析。EIARS485接口是一種三線制半雙工接口，在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能進(jìn)行信號(hào)的接收或者發(fā)送，即信號(hào)收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行。在工程上常采用圖4的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EIARS485總線上并聯(lián)的3個(gè)繼電保護(hù)裝置輪流獲得通信權(quán)，向通信前置機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)能否盡快地傳送給通信前置機(jī)，取決于獲得通信權(quán)的時(shí)間間隔。基于這樣的機(jī)制，就會(huì)出現(xiàn)如果一個(gè)繼電保護(hù)裝置傳輸多個(gè)信號(hào)時(shí)，將會(huì)占據(jù)比較長的傳輸時(shí)間。特別是當(dāng)發(fā)生大面積電氣故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置可能會(huì)產(chǎn)生較多的變位信號(hào)。如果按一個(gè)繼電保護(hù)裝置上傳5個(gè)遙信信號(hào)計(jì)算，傳輸這5個(gè)變位遙信信號(hào)要通過至少20幀報(bào)文才能完成。為保證繼電保護(hù)裝置的信號(hào)能實(shí)時(shí)傳輸給通信前置機(jī)，在考慮EIARS485接口連接繼電保護(hù)裝置的數(shù)量時(shí)，就需要計(jì)算極端情況下，在EIARS485接口中繼電保護(hù)裝置信號(hào)傳輸?shù)淖畲笱訒r(shí)。計(jì)算EIARS485數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)，本文參考國標(biāo)GB/T18657.2-2002中的非平衡傳輸過程進(jìn)行計(jì)算。

（二）IEC60870-5-104協(xié)議的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性的主要有2個(gè)因素：一是以太網(wǎng)的傳輸性能。這是由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和以太網(wǎng)帶寬決定的。二是104協(xié)議報(bào)文的信號(hào)攜帶效率。下面主要通過對(duì)第二個(gè)因素優(yōu)化來提高104協(xié)議的實(shí)時(shí)性。104協(xié)議通過I格式幀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。104協(xié)議中規(guī)定一個(gè)ASDU在不超過249個(gè)字節(jié)時(shí)，既可以傳輸一個(gè)信號(hào)（如開關(guān)變位信號(hào)），也可以傳輸一組信號(hào)（包含多個(gè)遙信信號(hào)）。在現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)104協(xié)議使用中，一個(gè)I個(gè)格式幀通常只傳輸一個(gè)變位遙信信號(hào)。如果能夠做到在一個(gè)I個(gè)格式幀內(nèi)盡可能傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)，無疑提高了信號(hào)的傳輸效率。本文認(rèn)為可以采用一個(gè)I個(gè)格式幀包含5~10個(gè)遙信變位信號(hào)。這樣傳輸雖然增加了I個(gè)格式幀的長度（增加了15~50個(gè)字節(jié)），但對(duì)于100M以太網(wǎng)的傳輸性能來說，增加15~50個(gè)字節(jié)的影響可以忽略不計(jì)。采用這種方法傳輸后，原先傳輸500個(gè)遙信變位信號(hào)需要1000幀報(bào)文（一個(gè)遙信變位包括一幀遙信變位報(bào)文和一幀SOE報(bào)文），現(xiàn)在只需要500幀報(bào)文，傳輸延時(shí)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(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的冗余配置和通信網(wǎng)絡(luò)的冗余配置實(shí)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(jī)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(jī)熱備接口切換

103協(xié)議在采用EIARS485接口時(shí)，一個(gè)EIARS485接口只能有1臺(tái)主機(jī)，即2臺(tái)通信前置機(jī)不能通過同一個(gè)EIARS485接口向1臺(tái)繼電保護(hù)裝置發(fā)送報(bào)文。為提高103協(xié)議傳輸?shù)目煽啃?，本文認(rèn)為可將2臺(tái)通信前置機(jī)的所有EIARS485接口并接運(yùn)行。1臺(tái)通信前置機(jī)處于工作狀態(tài)（向繼電保護(hù)裝置發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文），另1臺(tái)通信前置機(jī)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(jī)與繼電保護(hù)裝置的通信報(bào)文）。當(dāng)熱備狀態(tài)通信前置機(jī)檢測到工作狀態(tài)前置機(jī)的任何一個(gè)EIARS485接口通信中斷（該EIARS485接口沒有通信報(bào)文）時(shí)，熱備狀態(tài)前置機(jī)接過該EIARS485接口的主機(jī)地位，通過該EIARS485接口向繼電保護(hù)裝置發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文。此時(shí)，工作狀態(tài)通信前置機(jī)則放棄該EIARS485接口的主機(jī)地位，從而實(shí)現(xiàn)IEC60870-5-103協(xié)議雙機(jī)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(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)和以太網(wǎng)的冗余配置。冗余配置大大提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴５壳俺Ｓ玫碾p機(jī)雙網(wǎng)切換機(jī)制都為“硬切換”，即正常情況下冗余的兩臺(tái)通信前置機(jī)中只有其中一臺(tái)使用冗余通信網(wǎng)絡(luò)中的一條與遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)或服務(wù)器進(jìn)行通信。當(dāng)正常運(yùn)行的前置機(jī)發(fā)生故障或者正常運(yùn)行的通信網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，通信切換到冗余的另一臺(tái)通信前置機(jī)或另一條通信網(wǎng)絡(luò)。但是使用這種機(jī)制最大的缺點(diǎn)是：通信前置機(jī)的切換和通信網(wǎng)絡(luò)的切換是通過通信前置機(jī)內(nèi)部軟件進(jìn)行判斷實(shí)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(dòng)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(yùn)行的2個(gè)LAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，在設(shè)備上實(shí)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(jī)制，在不改動(dòng)現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的104協(xié)議的通信方式進(jìn)行修改，從而實(shí)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(jī)與遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)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(jī)和遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)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(shí)，雙方鏈路初始化結(jié)束后，總召換和對(duì)時(shí)報(bào)文均由遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)通過以太網(wǎng)口A啟動(dòng)，通信前置機(jī)通過這2個(gè)以太網(wǎng)口，以相同的報(bào)文（包括相同的發(fā)送序號(hào)和數(shù)據(jù)內(nèi)容）向遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)發(fā)送報(bào)文。遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)則同時(shí)從本機(jī)冗余傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)口A和以太網(wǎng)口B讀取報(bào)文，判斷2個(gè)以太網(wǎng)口收到報(bào)文的發(fā)送序號(hào)，舍棄發(fā)送序號(hào)較小的報(bào)文。如果其中一條以太網(wǎng)鏈路發(fā)生翻動(dòng)（因路由器或交換機(jī)的原因?qū)е峦ㄐ沛溌范虝r(shí)中斷）時(shí)，通信前置機(jī)與遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)對(duì)這條以太網(wǎng)鏈路重新進(jìn)行通信鏈路初始化（如圖6）。初始化結(jié)束后，通信前置機(jī)并不將該條鏈路報(bào)文的發(fā)送序號(hào)置0，而是使用與另一正常鏈路相同的報(bào)文（包括發(fā)送序號(hào)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(jìn)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(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng) 研究

為了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些比較重要的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測以及維修養(yǎng)護(hù)，并實(shí)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(hù)系統(tǒng)。建設(shè)起遠(yuǎn)程維護(hù)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(jì)算機(jī)的控制下，串行通信接口為非常主要的接口，結(jié)合裝備實(shí)際情況來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與裝備間的通訊和交流，進(jìn)而實(shí)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(jì)主要是在面向連接服務(wù)的基礎(chǔ)之上的。任何裝備對(duì)于通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)都是不同的，這是因?yàn)楦鱾€(gè)研制裝備的單位往往都會(huì)結(jié)合自身的需求以及實(shí)際設(shè)計(jì)型號(hào)來制定的，對(duì)于信息幀結(jié)構(gòu)也有較多不同的種類，同時(shí)在通訊協(xié)議中，各個(gè)部分內(nèi)容當(dāng)中位數(shù)也有一定的差異，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式自然也不一樣。所以，并不能實(shí)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(jìn)行傳輸，自然就無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

1.2 建立

結(jié)合裝備運(yùn)行的實(shí)際情況，制定通訊協(xié)議需要令其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制以及維護(hù)的功能，還要在此基礎(chǔ)之上確?？臻g充足，以便設(shè)備進(jìn)行功能擴(kuò)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(duì)現(xiàn)有裝備所擁有的通訊協(xié)議進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建出能夠滿足裝備的實(shí)際情況的一個(gè)通訊協(xié)議規(guī)范，它可以比較嚴(yán)格地對(duì)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(jì)類型都會(huì)和硬件間優(yōu)化融合綜合起來進(jìn)行考慮。

2 設(shè)計(jì)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(huì)定時(shí)傳送詢問幀到設(shè)備當(dāng)中，假如此時(shí)裝備處于開啟狀態(tài)，裝備就會(huì)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(dòng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，達(dá)到遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)作為主要目的，它可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行諸如開機(jī)或者關(guān)機(jī)等控制操作，在進(jìn)入到這種狀態(tài)下的時(shí)候，接口需要先向整個(gè)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(xiàng)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(shí)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(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)以及運(yùn)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(qǐng)求，向信息接口傳輸擁有監(jiān)測內(nèi)容的對(duì)應(yīng)幀。在設(shè)備接收了這一對(duì)應(yīng)幀之后就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)立刻進(jìn)行信息整合，與此同時(shí)對(duì)其進(jìn)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(hù)類

這種幀結(jié)構(gòu)針對(duì)的是擁有維護(hù)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(jìn)行必要的設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)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(jìn)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(duì)消息進(jìn)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(hù)類的幀，在設(shè)備收到維護(hù)幀后，就可以依照維護(hù)幀當(dāng)中的一些信息來對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)以及設(shè)置操作。

2.5 補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，就需要借助補(bǔ)充幀結(jié)構(gòu)的作用。先發(fā)送并沒有進(jìn)行校驗(yàn)的幀，隨后自動(dòng)傳送，在接口收到包含在補(bǔ)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(dòng)完畢。

3 傳輸數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

3.1 傳輸數(shù)據(jù)的流程

微機(jī)傳輸請(qǐng)求信息，到達(dá)設(shè)備之后，被控制的設(shè)備會(huì)先對(duì)信息幀進(jìn)行解碼處理，結(jié)合協(xié)議當(dāng)中的有關(guān)規(guī)范，在存儲(chǔ)器當(dāng)中適當(dāng)?shù)爻槿⌒枰南ⅲ偻ㄟ^ARM來進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚Y(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(dá)微機(jī)之后，微機(jī)接收信息幀，借助其中遠(yuǎn)程維護(hù)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)

整體上來說，遠(yuǎn)程維護(hù)控制這一系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括遠(yuǎn)程維護(hù)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(gè)部分所組成，它可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)被控制的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視以及維護(hù)的目的，通過信息之間的相互傳輸以及對(duì)彼此信息進(jìn)行破解的過程來實(shí)現(xiàn)信息分析，進(jìn)而能夠及時(shí)且有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，繼而對(duì)已經(jīng)有的問題進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)警和提示，繼而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)設(shè)備和遠(yuǎn)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(jì)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(jìn)行統(tǒng)一，與此同時(shí)，還給裝備遠(yuǎn)程維護(hù)的控制系統(tǒng)打造了比較理想的理論平臺(tái)，針對(duì)裝備使用和發(fā)揮正常效能來說擁有比較現(xiàn)實(shí)的意義和價(jià)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(dòng)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(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)。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(huì)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(jì)算機(jī)連接起來，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化管理，實(shí)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(jì)算機(jī)、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(gè)智能化配電系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場總線，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造比較單一。

隨著自動(dòng)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(duì)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(diǎn)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(gè)智能化配電系統(tǒng)已成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)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(gè)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(jìn)行通信，這嚴(yán)重防礙了用戶的選擇。對(duì)用戶而言，如果在一個(gè)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(gè)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(jìn)行改造或升級(jí)時(shí)，將要花費(fèi)用戶更多的時(shí)間和費(fèi)用。因此，多現(xiàn)場總線技術(shù)在一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為一個(gè)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(gè)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(gè)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(cái)力，但成效甚微。

針對(duì)上述在智能化配電系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實(shí)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(duì)現(xiàn)場總線協(xié)議進(jìn)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(gè)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(jí)的通用通信管理設(shè)備，由它把各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備上位機(jī)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(shí)現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)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(jì)通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器。因?yàn)槟K化的結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，為系統(tǒng)將來的升級(jí)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(kuò)展槽和固定支架等，并且系統(tǒng)總線也是在底板，擴(kuò)展槽和底板上的信號(hào)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(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)以及與上位機(jī)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(jī)連接，主控板通過它與上位機(jī)進(jìn)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(jìn)行信息交換，對(duì)來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，等待上位機(jī)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(jìn)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(shí)際情況進(jìn)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(jī)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(jìn)行通信，各協(xié)議板之間不能進(jìn)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(hào)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(hào)識(shí)別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號(hào)相符的協(xié)議板才響應(yīng)主控板，從而實(shí)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(shí)，不必改動(dòng)硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設(shè)置好協(xié)議板號(hào)，并在上位機(jī)的組態(tài)中添加相應(yīng)的系統(tǒng)信息存入計(jì)算機(jī)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(shí)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(dòng)化系統(tǒng)中完成，并與多種產(chǎn)品進(jìn)行了通信聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)。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(hù)繼電器產(chǎn)品。

整個(gè)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(jì)算機(jī)。軟件由主控程序、通訊界面和人機(jī)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(jī)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(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控板傳送到上位機(jī)，并通過主控板接受上位機(jī)命令。

4 結(jié)束語

篇(7)

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)；體系；機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2012）69-0185-02

0引言

幾十年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展相當(dāng)迅速。但計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(shí)、數(shù)據(jù)庫等；支持高級(jí)人機(jī)接口，滿足人們對(duì)多媒體日益增長的需求。正如結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中對(duì)復(fù)雜問題的模塊化分層處理一樣，在處理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)這種復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)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(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是介紹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的層次化網(wǎng)絡(luò)研究方法。

1計(jì)算機(jī)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(jìn)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(gè)功能部件在通信過程中的正確操作。

1.2實(shí)體

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

1.3接口

上下層之間交換信息通過接口來實(shí)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(duì)獨(dú)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?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)的各個(gè)分層機(jī)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(shí)體必須通過下次的相關(guān)服務(wù)訪問點(diǎn)（Service Access Point，SAP），才能夠獲得下層的服務(wù)。SAP作為上層與下層進(jìn)行訪問的服務(wù)場所，每一個(gè)SAP都會(huì)有有自己的一個(gè)標(biāo)識(shí)，并且每個(gè)層間接口可以有多個(gè)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(jìn)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(bào)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(tái)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(huì)在一個(gè)“連接響應(yīng)”原語中提出一個(gè)新的建議，呼叫的一方能夠從“連接確認(rèn)”的原語中得知情況。這樣的整個(gè)過程細(xì)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(duì)等實(shí)體為實(shí)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(shí)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(cuò)控制信息、序號(hào)信息等；用戶數(shù)據(jù)為實(shí)體提供服務(wù)而為上層傳送的信息?？紤]到協(xié)議的要求，如時(shí)延、效率等因素，對(duì)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(duì)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(huì)對(duì)服務(wù)數(shù)據(jù)單元進(jìn)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(shí)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(shí)，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(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)單元通過接口時(shí)有作用，進(jìn)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(jì)算機(jī)之間的通信合作為目標(biāo)，把需要連接的每個(gè)計(jì)算機(jī)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(jìn)程通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口及服務(wù)。實(shí)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(jì)算機(jī)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(huì)上存在這各個(gè)年代、各個(gè)廠家、各個(gè)類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如果將這不同的系統(tǒng)進(jìn)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(jì)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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)不同的系統(tǒng)里面的相同層次之間的實(shí)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(diǎn)如下：

1）獨(dú)立性強(qiáng)。各個(gè)層次之間有具體的分工，獨(dú)立性是指被分層的具有相對(duì)獨(dú)立功能的每一層只要知道下面的層次能夠?yàn)樽约禾峁┑姆?wù)是什么和自己向上面一個(gè)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(qiáng)。層與層之間是相互獨(dú)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(shí)現(xiàn)和維護(hù)。整個(gè)大的系統(tǒng)進(jìn)行分層后，一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)被分解成很多個(gè)功能單一、范圍較小的子系統(tǒng)，每一個(gè)層次僅僅實(shí)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(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試變得簡單和容易。

3結(jié)論

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系復(fù)雜，各個(gè)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(duì)各種網(wǎng)路體系問題，由于作者本身經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)層次的欠缺，文中難免會(huì)出現(xiàn)不合理之處，望作者批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)