高速串行總線的RS485串口通信接口設(shè)計范文

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摘要：工業(yè)現(xiàn)場存在大量RS5串口接入設(shè)備，然而一般處理器集成的RS5串口個數(shù)有限，難以滿足實際應(yīng)用需求。通過研究分析RS5串口的應(yīng)用需求和變電站輔助設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，提出一種基于高速串行總線的分布式RS5串口通信方式，重點討論了通信協(xié)議設(shè)計和通信接口設(shè)計。采用該方案研制的變電站輔助設(shè)備，提高了RS5串口可擴展性，易于升級與維護。現(xiàn)場運行結(jié)果表明該方案的有效性和實用性。

關(guān)鍵詞：串行高速總線；分布式；RS5串口；通信

RS5串口通信技術(shù)具有傳輸距離遠、成本低、抗干擾能力強等優(yōu)點，在計算機通信領(lǐng)域占有一席之地。但是由于RS5總線缺少總線仲裁，多對多會導(dǎo)致多個設(shè)備在總線上信號沖撞，所以只能構(gòu)成一對一或一對多的通信網(wǎng)絡(luò)，使其難以實現(xiàn)較為復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建［1］。控制器局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)現(xiàn)場總線之一，具有總線仲裁、高可靠性和高性能等特點，在變電站、礦山煤場、汽車等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［2－4］。但是CAN總線最高速率只有1Mbps，難以滿足高速數(shù)據(jù)采集、通信的速率要求。高速串行總線（High－speedSerialBus，HSB）利用低壓差分信號（LowVoltageDef-erentialSignaling，LVDS）的高速特點（最高1．23Gbps）來改進CAN總線的性能，其中CAN作為控制總線，LVDS作為數(shù)據(jù)總線，從而實現(xiàn)多點互聯(lián)的大數(shù)據(jù)量高速通信的應(yīng)用需求，在變電站等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［5－6］。變電站內(nèi)一次設(shè)備在線監(jiān)測、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)、動環(huán)系統(tǒng)等為變電站監(jiān)控提供輔助支撐的設(shè)備，總稱為輔助設(shè)備。輔助設(shè)備通過RS5接口接入火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、溫濕度傳感器、空調(diào)控制器等外部監(jiān)測和控制設(shè)備，實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的采集接入和設(shè)備的控制［7－8］。然而一般的處理器集成的串口資源有限，難以滿足使用需求，針對此問題，本文實現(xiàn)了一種基于高速串行總線的分布式串口擴展方式，可以根據(jù)使用需求快速擴展串口資源。

1系統(tǒng)概述

基于靈活硬件資源配置和硬件平臺設(shè)計考慮，典型的變電站輔助設(shè)備裝置硬件系統(tǒng)采用多板卡的分布式結(jié)構(gòu)，由控制、數(shù)字量采集、模擬量采集和RS5通信等板卡組成，每個板卡可以根據(jù)需要進行多個配置，裝置內(nèi)部互聯(lián)總線采用HSB總線，硬件總線架構(gòu)圖如圖1所示。控制板卡是輔助設(shè)備的核心，通過HSB總線與其他板卡進行通信，對采集的數(shù)據(jù)進行計算處理，其中的FPGA模塊實現(xiàn)HSB總線和千兆以太網(wǎng)總線控制，通過千兆以太網(wǎng)總線與CPU模塊互聯(lián)；CPU模塊為ARMCortex－A7系列處理器，處理器包含4個CPU核心，主頻1．2GHz，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。RS5通信板卡包含8個RS5接口，用于接入RS5接口設(shè)備，其中的FPGA模塊實現(xiàn)HSB總線控制和RS5總線控制功能。其他板卡與本文內(nèi)容無關(guān)，限于篇幅不再贅述。RS5通信板卡的FPGA接收RS5報文后，添加HSB報文頭后發(fā)送到HSB總線，控制板卡的FPGA從HSB總線接收HSB報文后，通過千兆以太網(wǎng)口上送CPU，由CPU進行HSB報文解包和計算處理，至此，完成一幀RS5報文的接收。控制板卡的CPU接收到RS5報文后，添加HSB報文頭后通過千兆以太網(wǎng)口發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA的HSB總線控制模塊將HSB報文發(fā)送到HSB總線，RS5通信板卡的FPGA從HSB總線接到HSB報文后，從HSB報文中解析出RS5報文，并根據(jù)HSB報文頭中的相關(guān)信息將RS5報文發(fā)送到指定的RS5接口，至此，完成一幀RS5報文的發(fā)送。

2通信協(xié)議設(shè)計

基于通信過程的復(fù)雜性和靈活性考慮，通常將通信協(xié)議劃分為若干個層次，每個層次完成一部分功能，各個層次相互配合共同完成通信功能。控制板卡與RS5通信板卡間的通信基于HSB總線，依照分層通信體系結(jié)構(gòu)，通信協(xié)議從下往上依次劃分為數(shù)據(jù)鏈路層、HSB通信協(xié)議層和串口通信協(xié)議層，如圖2所示。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是幀編碼和誤差糾正控制。通過鏈路層協(xié)議來控制數(shù)據(jù)的傳輸，以保證被傳輸數(shù)據(jù)的正確性。使用千兆以太網(wǎng)協(xié)議作為鏈路層協(xié)議，不僅可以利用Linux操作系統(tǒng)現(xiàn)有的千兆以太網(wǎng)驅(qū)動和編程接口，減少開發(fā)工作量，而且可以利用Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的NAPI收包、套接字緩存等特性［］，提高通信性能和穩(wěn)定性。HSB通信協(xié)議層的主要功能是實現(xiàn)控制板卡與RS5通信板卡間的通信，也是本文討論的重點。HSB通信協(xié)議報文的各字段定義如圖3所示。報文目標節(jié)點地址、報文源節(jié)點地址、報文優(yōu)先級、報文長度5個字段用于HSB的CAN總線控制，其中，報文目標節(jié)點地址字段表示通信的接收方，報文源節(jié)點地址字段表示通信的發(fā)送方，報文優(yōu)先級字段用于CAN總線的發(fā)送優(yōu)先級控制，報文長度字段用于指定HSB協(xié)議數(shù)據(jù)段的長度。報文類型、串口端口、串口配置3個字段用于HSB的RS5串口報文控制，其中，報文類型字段用于區(qū)分發(fā)送報文和接收報文，串口端口字段用于確定RS5通信板卡上的串口地址，串口配置字段用于確定串口的波特率和通信協(xié)議配置，該通信協(xié)議由1個起始位、5～個數(shù)據(jù)位、1～2個停止位、1個奇偶校驗位組成。串口通信協(xié)議層的主要功能是實現(xiàn)各種應(yīng)用功能。作為應(yīng)用層協(xié)議，位于HSB報文的數(shù)據(jù)部分。常用的通信協(xié)議包括ModBus、ProfiBus協(xié)議等。

3通信接口設(shè)計

“一切皆是文件”是Unix／Linux的基本哲學(xué)之一，Linux常用文件接口包括打開、關(guān)閉、讀、寫等。基于此設(shè)計思想，RS5串口通信接口設(shè)計如下。COMOpen用于打開和初始化RS5通信板卡上的串口設(shè)備，其中slotid參數(shù)用于指定RS5通信板卡地址，devid參數(shù)用于指定串口端口地址，baud參數(shù)用于指定串口波特率，flags參數(shù)用于指定串口通信協(xié)議配置，接口返回打開的串口對象指針；COMClose用于關(guān)閉串口；COMWrite、COMRead分別用于串口報文發(fā)送和接收，其中dev參數(shù)用于指定已打開的串口對象，buf、len參數(shù)用于指定串口報文緩沖區(qū)的首地址和長度。structcom＿dev觹COMOpen(uint＿tslotid,uint＿tdevid,uint＿tbaud,uint＿tflags);intCOMClose(structcom＿dev觹dev);intCOMWrite(structcom＿dev觹dev,uint8＿t觹buf,uint＿tlen);intCOMRead(structcom＿dev觹dev,uint8＿t觹buf,uint＿tlen);

3．1串口打開和初始化

因為串口報文通過千兆以太網(wǎng)總線進入控制板卡的CPU，所以CPU通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備與RS5通信板卡進行通信。首先通過socket接口打開千兆以太網(wǎng)接口網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備，并綁定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議號，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議號由RS5通信板卡地址slotid和串口端口地址devid構(gòu)造生成，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議號實現(xiàn)與指定RS5通信板卡的串口端口建立通信通道。接著設(shè)置報文接收超時的時間，避免讀接口因為無報文而阻塞。然后創(chuàng)建并初始化串口設(shè)備對象，串口設(shè)備對象包含socket文件描述符、RS5通信板卡地址、串口地址和串口配置等信息，作為其他接口的參數(shù)，提供相關(guān)通信信息。最后發(fā)送一個數(shù)據(jù)長度為0的HSB報文，完成串口波特率和通信協(xié)議配置。

3．2串口報文發(fā)送

串口報文發(fā)送接口的核心工作是為串口報文添加HSB報文首部后發(fā)出。首先對串口設(shè)備對象、報文緩沖區(qū)的首地址和長度進行合法性檢查，然后通過串口報文長度加上HSB報文首部長度計算出HSB報文長度，以此申請一個HSB報文緩沖區(qū)并初始化此HSB報文的目標節(jié)點地址、報文長度、報文類型、串口配置、數(shù)據(jù)段等各個發(fā)送相關(guān)字段，最后通過網(wǎng)絡(luò)通信接口sendto發(fā)出HSB報文。

3．3串口報文接收

串口報文接收接口與串口報文發(fā)送接口的處理流程類似。首先對所有參數(shù)進行合法性檢查，然后計算出HSB報文長度并申請一個HSB報文緩沖區(qū)，接著使用網(wǎng)絡(luò)通信接口recvfrom接收到HSB報文，最后將接收到的HSB報文的數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)拷貝到串口報文接收緩沖區(qū)。

3．4串口關(guān)閉

串口關(guān)閉接口的主要功能是釋放相關(guān)系統(tǒng)資源，如關(guān)閉socket接口、釋放串口設(shè)備對象等。

4工程應(yīng)用

本方案目前已應(yīng)用到新一代的安防監(jiān)控、消防信息傳輸控制等多個變電站輔助設(shè)備中。通過RS5通信板卡的RS5接口，與安防監(jiān)控、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等終端的通信功能工作正常，通過RS5接口接入的擴展鍵盤、探測器和輸出前端等設(shè)備，能正確實現(xiàn)報警信號、布撤防等數(shù)據(jù)交互。設(shè)備現(xiàn)場運行情況良好，所有功能工作穩(wěn)定，性能符合裝置技術(shù)指標要求。本方案提高設(shè)備的可擴展性，通信協(xié)議易于升級與維護，對低速通信總線的擴展具有一定參考價值。

作者：陳彬 陳從靖 單位：南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司