通信系統的硬件設計方案范文
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主從式礦用組合開關通信系統用于實現組合開關控制系統上、下位機系統的信息傳輸，其CPU為組合開關控制系統的主控芯片C8051F040。
C8051F040內部設有UART0和UART1兩個串行通信口。通信系統中均采用其UART0口。UART0為增強型串行通信總線，其接收數據緩沖區為雙重緩沖區，保證在接收數據時，即使軟件尚未讀完接收數據，第二個數據仍能完整接收。UART0通信可通過查詢TI0和RI0位或中斷來控制。
C8051F040為COMS集成電路芯片，其串口的收發信號都是CMOS電平，驅動能力和抗干擾性有限。針對環境惡劣、干擾源多的煤礦井下，通信系統選用RS485總線實現多機互聯。RS485總線采用平衡差分傳輸方式，抗干擾性好，可互連多達128個單片機，適合組成多機通信系統［2］。C8051F040不支持符合RS485協議的電平信號，所以采用MAX485總線驅動芯片［2］設計了信號電平轉換接口模塊，如圖2所示。
MAX485是MAXM公司推出的適用于惡劣環境下的低功耗收發器，數據傳輸速率可達2．5Mbit／s，其內部有1個輸入接收器和1個輸出驅動器，二者的使能引腳在不使能情況下均處于高阻狀態。MAX485采用平衡發送和差分接收方式實現與C8051F040的通信。C8051F040通過發送端TX0將COMS電平信號發送至MAX485進行轉換，生成的差分信號經A、B端口輸出，接收端RX0將差分信號還原成CMOS信號。
光電隔離電路實現通信信號與CPU的隔離，同時抑制MAX485芯片A、B端口之間的靜電沖擊，使通信系統更加安全可靠。通信系統多機通信結構如圖3所示。上位機系統與下位機系統通過信號電平轉換接口模塊連接在RS485總線上。顯示屏支持RS485協議信號，不需要接信號電平轉換接口模塊。RS485總線上只能有1個節點成為主節點而處于發送狀態，其它節點必須處于接收狀態。如果同一時刻有2個或2個以上的節點處于發送狀態，將導致所有發送方的數據發送失敗，即總線沖突。為了避免總線沖突問題，提高可靠性，通信系統采取了以下措施：（1）采用主從式結構，RS485總線工作在主從模式下，從機不主動發送命令或數據，一切由主機控制。在本通信系統中，主機為上位機系統，從機為主線路與支線路1～n。（2）在信號電平轉換接口模塊中設置C8051F040的P2．0端口來控制MAX485的收發狀態。在通信系統復位時，主／從機均處于接收狀態。
通信系統的實現
主從式礦用組合開關通信系統包括兩部分：上位機系統與主線路和各支線路的通信，以及上位機系統與顯示屏的通信。在多機通信中，在保證通信可靠性的前提下，還要提高總線的通信效率和實時性［］，因此需要選擇合適的通信協議和完善的通信軟件。
1主機與從機通信的實現
本通信系統中，參考Modbus協議［4］制定了一種滿足組合開關控制系統通信要求的主從式通信協議。該協議規定每一個從機要知道自身地址，識別按地址發來的消息，以及決定要產生何種行動。以下為通信協議規則：（1）串行通信波特率為19200bit／s，字符特征為8數據位，1起始位，1停止位，無校驗位。（2）協議定義了信息格式和差錯控制。主／從機數據幀結構（圖4）包括線路地址（2B）、功能代碼（2B）、數據域（30B）和校驗碼（2B），均為16進制。主機和從機采用相同的幀結構，不同之處在于主機數據幀結構中的數據域為系統整定的運行參數和運行方式，從機數據幀結構中的數據域為主線路和各支線路的工作狀態量。主機和從機信息包均為36B的定長幀。在數據幀結構中，線路地址用以選擇主機與從機中的當前通信線路；功能碼表明主機對本次通信回路的操作類型，操作約定見表1；校驗碼為16位的CRC校驗碼。（3）標準Modbus協議采用間隔時間判斷方法捕捉數據幀，這需要占用CPU的計數器／定時器源，還需對檢測到的串口接收時間片進行邏輯處理。本通信系統中，通過判斷地址碼位和功能碼位來確定幀的開始，理由是地址碼和功能碼是主機請求數據幀的內容，而主機和從機都知道這兩位數據。采用該判斷原則后，從機不必判斷主機幀之間的間隔是否大于3．5個字符傳輸時間。圖5為基于該原則的幀捕捉邏輯流程，其中res［j］為幀接收數據數組，res［0］與res［1］為地址位，res［2］與res［3］為功能碼位，Sflag為一幀數據幀捕捉成功標志。程序初始化時需設置res［0］＝res［2］＝0x00，Sflag＝0，j＝0。在成功接收且使用完本次通信數據后，要對res［j］數組清零，以防止其被內存殘留數據干擾而無法判斷幀的起始。主機采用輪詢方式與從機中主線路及各支線路通信，如果主機發完信息后100ms內沒有接收到從機的響應信息，則認為本次通信失敗；從機采用中斷方式接收整個消息幀，接收完畢進行錯誤檢測，若校驗正確則根據命令碼調用相應的操作，否則不予響應。
2主機與顯示屏通信的實現
顯示屏負責實時顯示被控電動機的狀態信息和控制系統的操作指示信息。在主機與顯示屏的通信中，顯示屏只需將接收的數據信息實時顯示在相應的界面上即可，不需要進行信息回饋，為單向通信。制定的通信協議如下：（1）串行通信波特率為19200bit／s，字符特征為8數據位，1起始位，1停止位，無校驗位。（2）對應的主機數據幀結構如圖6所示。該數據幀結構中，界面地址負責切換顯示界面，包括系統顯示主界面、系統整定界面及系統自診斷界面及一些提示界面；光標地址區別顯示界面中的具體顯示元素。控制系統選用臺達顯示屏，其不支持CRC校驗，因此主機與顯示屏的通信中采用偶校驗方式。采用ScreenEditor畫面編輯軟件配置顯示屏通信端口（設置通信口為COM2，通信界面為RS485，數據位為8bit，校驗為Even，停止位為1bit，波特率為19200bit／s）、編輯顯示畫面、設定畫面地址及畫面中各元素對應的存儲器地址。
實驗及結果分析
實驗一：在C8051F040軟件集成開發環境IDE界面下觀察一次通信過程。上位機與支線路6進行一次通信的數據如圖7所示。從圖7（a）、（b）可看出，上位機發起通信請求，與支線路6建立通信，線路地址碼為0x00f6，代表與支線路6通信；功能碼為0x00e1，表示讀取支線6的工作狀態信息；16位CRC校驗碼為0x2dec。圖7（c）、（d）為支線路6回傳的數據。實驗二：系統正常運行顯示實驗。圖8（a）為上位機發送給顯示屏的數據。界面地址為0x0003，當前顯示畫面為主界面；光標地址為0x0001，顯示第一回路內容。圖8（b）為顯示屏示界面，顯示第一回路電動機為啟動狀態，工作電流為400A。可見顯示結果與通信數據一致。在測試和實際應用中，主從式組合開關通信系統的上位機可通過發送配置信息成功配置下位機系統，主線路與各支線路能將系統工作狀態實時反饋給上位機，上位機可將反饋信息傳送給顯示屏顯示。整個系統運行穩定可靠，能夠滿足組合開關控制系統對通信效率和實時性的要求。
結語
根據3．3kV智能型礦用組合開關控制系統的特點，設計了基于C8051F040和RS485總線的通信系統，根據制定的通信協議編寫了通信軟件。該通信系統硬件設計合理，構造簡單，經測試和實踐證明其數據傳輸準確，運行可靠。系統涉及的通信接口設計、通信協議規劃和通信程序設計對于開發類似主從式通信結構具有一定的參考價值。
作者：閆世軍宋建成徐杰鄭麗君單位：太原理工大學電氣與動力工程學院天地（常州）自動化股份有限公司
