单片机控制系统总线通信的优化模型探析

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(1.国网山东公司电力科学研究院，济南 250001；2.国网菏泽供电公司；3.国网滨州供电公司；4.国网威海供电公司)

引 言

现代工业控制系统的显著特点就是实现设备间通信的网络化，形成以管理软件为核心的有机联动体。工业系统为了实现网络化[1]，其相关设备以终端形式与系统进行信息传输，就需要利用单片机实现通信。现代工业系统为了满足复杂、庞大的生产需要，向智能化、多样化、分布化方向发展，需要大量智能模块式的单片机作为终端。由于单片机终端的增加，其与核心系统的信息共享、联网控制传输更加频繁，需要借助通信模型实现系统的稳定运行。本文以单片机通信为研究对象，分析单片机控制系统的结构、各层间总线传输标准，以及相应的通信协议，旨在找出单片机控制系统通信的一般性方法。

1 单片机控制系统结构概述

单片机控制系统由3部分构成，分别为数据管理控制的数据管理层、发送和接收指令的操作管理层、单片机构成的设备管理层，具体如图1所示。

图1 控制系统结构

控制系统中的设备管理层主要负责两方面工作：一方面，执行操作管理层发送的命令信息、单片机设备信息的采集和传递；另一方面，单片机接收操作管理层的指令信息，执行操作层对设备管理层的操作。计算机操作位于系统控制的操作管理层[2]，利用操作系统了解系统设备的整体运行情况，并通过上一层传递的执行命令进行单片机终端的实时控制。数据管理层是控制系统的核心，主要对操作管理层传递的数据进行归类、分析、存储和反馈，向操作者提供决策信息，辅助其决策。

2 单片机控制系统通信机制

通信帧格式、系统结构分析完成之后，需要对通信流程进行设定，保证各层信息通信的准确以及系统的稳定。

(1)主-从通信机制

计算机向需要建立通信的单片机发送下行帧，单片机接收信息后，进行地址信息校对。如果地址信息一致，单片机执行下行命令，操作管理层中的计算机向设备管理层的单片机发送下行帧，单片机接收信息后，将下行帧中的地址信息与所存储的地址信息进行比对，如果信息一致，则执行下行帧中的命令，并存储数据和发送上行应答帧，否则数据丢弃，等待其他下行帧，如图2(a)所示。

图2 单片机控制系统通信机制

(2)多-主通信机制

多-主通信机制可以采用主-从通信机制，也可以按照预设规则，由单片机向操作管理层发送请求帧，减少操作层计算机的负担，提高操作管理的效率，如图2(b)所示。

(3)重发通信机制

控制系统各层间通信的影响因素较多，一旦出现通信故障，各个系统层要进行故障处理。参照数据管理层的超时重发机制，发送完数据帧以后，进行等待时间计算，如果超过设定的等待时间，计算机、单片机就会重新发送数据。如果多次重发无果，认定为通信失败，如图2(c)所示。

3 通信模型

3.1 模型构建

单片机控制系统中的设备管理层、操作管理层之间的通信和控制，主要由计算机和单片机完成[3]，且计算机和单片机间通过总线连接进行数据传输。虽然不同总线的标准对线路连接的规定不同，但可以将单片机通信相关的系统结构进行网络描述，并通过通信模型表现出来，具体如图3所示。

图3 通信信息模型

由图3可知，操作管理层主要由PC机构成，设备管理层由单片机(SMC)、接收设备和通信接口设备组成。其中，通信接口设备负责操作管理层、设备管理层间信息交换，实现不同层间的信息通信。通信接口按照预设的通信协议转换两层间的信息，所以通信协议的复杂程度决定了通信接口的模块组合形式。

3.2 数据通信分析

由于通信接口接收的是操作管理层的数字电平信号，可以依据电平判断通信效果。如果操作层输入电路的物理特性对电平波产生影响，就会降低接收通信的准确性，所以要求接收、发送的信号满足波形要求。当数据传输率<电压跟踪率时，单位数据的电平可以保持足够长的时间。其中，输出、输入信号的阶段性跃级响应关系为[4]：

u=U(1-ebt)

(1)

其中，u代表数据信号的高电平，b=1/[R(C1+C2)]代表电平上升时间，属于自然常数。数据信号受到分布参数影响后的波形图如图4所示。

图4 单片机接口电路分布参数对数字信号的影响

依据式(1)可知，在电压为5 V情况下，通信信号电平的幅度上升，就说明数据传输处于高电平状态，所需时间t=-R(C1+C2)In0.42。如果信号的Bit比为Fb，那么为了保证信号传输的正确性，电平上升时间=信号脉冲宽度的10%～25%。

由此可知，信号处于高电平时，单片机接口的电路分布范围为：

R(C1+C2)=-1/FbIn0.42(10%～25%)

(2)

一旦单片机的分布参数确定后，接口最高通信速率的限制条件可以通过式(2)获得。由上述分析可知，不同复杂程度的通信协议采用不同的接口模块组，其影响主要表现为分布参数对数字信号波形的影响，可以通过接口电平判断通信准确性。

4 通信协议设计

在单片机控制系统中，不同结构层间的数据传输，需要借助通信协议才能实现。在标准一致的通信协议条件下，实现信息传输的稳定、准确和有效。由于通信协议、系统通信模式、总线标准三者之间相互影响，所以要结合通信模式和总线标准来制定通信协议。在设定操作管理层、设备管理层间通信帧的格式时，要参照系统的总线标准，在两个通信层间设置相同帧格式。

4.1 RS-485总线

RS-485总线并未明确规定通信协议的具体标准，仅规定线路的电气特征。单片机采用RS-485总线作为标准时，需要依据控制系统要实现的功能进行设定[5]。由上述对控制系统的分析可知，操作管理层主要向设备管理层传输执行命令，设备管理层向操作管理层传输反馈信息。因此，两层之间的通信传输可以依据上、下行标准来定义通信帧格式。

(1)下行帧格式

参照P2P通信协议，进行下行帧的格式设置，其内容如下所示：

帧头目标地址帧类型信息段帧校对结尾符111111

帧头、结尾符分别表示传输指令的开始、结束，用特殊字符代替。帧格中分别预留目标地址信息，保证信息传输的准确无误。由于操作管理层不仅发送执行命令，还对设备管理层上传信息进行回应，所以设置帧类型字段用于区分执行命令(控制帧)和回应信息(应答帧)。当传输帧为控制帧时，信息段内存放控制命令，包括单片机工作状态设置、相关信息查询、数据上传、基层设备控制。当帧类型为应答帧时，信息段内存放应答信息，帧校对内存在校对信息。

上述操作管理层的下行帧设置属于通用格式，如果采用多机通信，那么下行帧格式可以优化。当单片机处于多机通信模式时，可以对第9数据位进行设置，实现地址信息和数据信息的区分。处于从机位的单片机首先接收与自己地址标识相符的地址格式信息，与上层主机建立通信，并持续接收后续信息，否则等待接收其他地址信息。在多机模式下，下行帧分为两种，即地址帧和控制帧。操作管理层中的计算机通过地址帧信息与目标单片机建立通信，利用发送控制帧信息进行控制操作。

地址帧由11位组成，格式如下所示：

(2)上行帧格式

设备管理层单片机到操作管理层的通信主要是对控制命令接收的恢复，包括准确接收执行命令应答和单片机相关信息上传，其上传帧格式如下所示：

帧头源地址帧长信息段帧校对结尾符111Variable11

上传帧与下行帧的不同在于源地址和帧长，源地址是单片机的地址标识，帧的总字节数就是帧长,信息段存储单片机执行命令情况。其中，帧长为可变形式，适应各种上行传输协议，增加了单片机通信的通用性。

4.2 CAN总线

各个层之间的通信需要通过CAN总线进行收、发，CAN总线利用单片机中的芯片进行接口传输通信控制。因此，在单片机控制系统的通信模型中，接口模块的智能化程度由单片机芯片数量决定。目前，操作管理层与接口之间的通信传输主要采用RS-232总线形式，而接口与设备管理层的通信主要采用CAN总线形式。当操作管理层、设备管理层间进行通信，接口模块要实现上、下行帧的格式转换，将下行帧转换为CAN格式，上行帧转化为RS-232格式。在控制系统的通信时，上行帧、下行帧的格式之间进行转换，其中，接口模块发挥信息形式的接收、转换和发送作用。

由于RS-232总线协议没有明确格式，所以计算机监控协议、网关通信协议要依据不同的单片机控制系统进行不同的功能设计。其中，下行帧传输操作管理层向设备管理层下达命令信息，上行帧主要将单片机信息传递给操作层。因此，PC机和接口设备间的信息通信采用下行帧通用标准(符合RS-485总线标准)和上行帧格式。接口设备和操作管理之间的信息通信采用CAN总线标准格式，并按照该格式组成数据帧控制接口电路的信息发送和接收。

结 语