基于智能通信控制器的串行通信系統的抗干擾設計

電力系統運行的安全與否與系統當時的運行狀態有密切的關系，對于電力調度部門來說，如果能實時地全面掌握電力系統各部分的運行狀態，進行遠程監測，對保證系統的安全、穩定、經濟運行無疑具有十分重要的意義。電力遠程監測一般采用串行方式進行通信，保證數據的可靠傳輸是其最重要的技術指標之一。由于工業現場的惡劣環境以及配電系統的遠距離傳輸，干擾是產生偶然性錯誤和影響整個系統可靠運行的主要原因。提高系統的抗干擾能力是電力遠程監控的一個重要的研究方向。

系統概述

本系統是一個上下位機形式的工業配電測控系統，根據功能需要，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。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行機構來完成所承擔的工作。各下位機能夠根據需要對多路模擬量、開關量進行檢測和控制。本系統根據需要對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、補償電容器的狀態等)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  下位機系統框圖

上位機可選普通PC，也可根據系統使用環境，選擇和下位機一樣的IPC。上位機可以發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進行監控和宏觀調度。

配電測控系統中，上下位機距離較遠，為提高系統的抗干擾能力，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，已成為分布式監控系統中數據傳輸的首選標準。IPC沒有RS-485接口，為此需配備RS-232/RS-485接口，本系統采用了泓格公司的7250/7521轉換器。其中，7521為具有嵌入式CPU的智能通信控制器，可減少系統編程量，提高系統的可靠性和實時性，本系統實際使用的是7521D模塊，7521D模塊上有5個七段數碼管，可以用程序控制它的亮滅，以監視系統的運行。除此之外，7521D和7521功能一樣。后面介紹一律不再區分7521和7521D。

本系統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，也可根據配電系統的實際需要進行擴充。

圖2  具有智能通信模塊的網絡連線示意圖

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。模塊內嵌AMD公司的Am188TMES控制器，裝有MiniOS7嵌入式操作系統。可以為RS-485網絡的任何一個RS-232設備，分配一個唯一的地址。模塊內含雙看門狗電路：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，一種是開發工作模式，一種是正常工作模式。

在開發模式時，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，可進行系統參數的配置和用戶程序的下載。

在正常工作模式時，7521將執行由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送給模塊的命令和模塊收到命令后的響應兩部分。

發送部分的命令格式：(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，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，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，指定模塊執行的命令。這些命令通常使用不同的數字來表示不同的功能。
④(CHK)：冗余校驗和(CheckSum),使用程序將所有傳輸的字符在ASCII對照碼中的地址數值相加，保留最后的一個字節，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)(數據)(CHK)(CR)

響應字符串(數據)只與命令字符串格式不同，其余部分均相同。數據部分要根據具體的命令解釋。

7521有30個實用命令，提供了較為完善的驅動程序。用戶無須自己編寫通信協議，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，由于現場環境的惡劣、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據傳輸出現誤碼，嚴重的可能出現死機。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。在本系統中，從硬件線路和軟件設計兩方面進行了抗干擾設計。

系統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)本系統的RS-485接口是采用平衡驅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模塊內部電路示意圖

由圖3可看出，RS-485端和電源端同處一個區域，RS-485端使用的是接入電源。RS-232端則是模塊內部經轉換后的電源，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部，但只要此干擾在保護范圍內，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網絡中的噪聲干擾。

系統通信軟件抗干擾措施

在實際系統設計中，要保證數據傳輸的可靠性，離不開硬件和軟件的協調工作。為保證數據傳輸的準確性，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。在數據傳輸過程中采用累加和校驗方式，可大大降低了數據傳輸出錯率。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