串行通信系统的抗干扰设计

    电力系统运行的安全与否与系统当时的运行状态有密切的关系，对于电力调度部门来说，如果能实时地全面掌握电力系统各部分的运行状态，进行远程监测，对保证系统的安全、稳定、经济运行无疑具有十分重要的意义。电力远程监测一般采用串行方式进行通信，保证数据的可靠传输是其最重要的技术指标之一。由于工业现场的恶劣环境以及配电系统的远距离传输，干扰是产生偶然性错误和影响整个系统可靠运行的主要原因。提高系统的抗干扰能力是电力远程监控的一个重要的研究方向。

系统概述

    本系统是一个上下位机形式的工业配电测控系统，根据功能需要，下位机选用了控制功能比较强大的研华IPC-610工业控制计算机(IPC： Industrial Personal Computer)，其具有近二十个ISA插槽和PCI插槽的无源总线底板以及相应的CPU板、I/O板等，可以将系统的各个模块如A/D转换、视频采集、通信、I/O口输入输出等以插卡的形式像搭积木一样组合起来，方便地扩展成一个复杂的控制系统。选用了两块PC-6313多功能模拟输入/模拟输出板卡，配接相应的传感器和执行机构来完成所承担的工作。各下位机能够根据需要对多路模拟量、开关量进行检测和控制。本系统根据需要对64路模拟量(电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率等)和16路开关量(各出线开关分合闸状态、补偿电容器的状态等)进行检测，可以对16路开关量进行输出控制(开关、电磁阀、继电器)。其结构框图如图1所示。

图1  下位机系统框图

    上位机可选普通PC，也可根据系统使用环境，选择和下位机一样的IPC。上位机可以发出指令和任何一台与之相连的下位机进行通信，收集各下位机传送来的模拟量和开关量信息，进行相关的分析、汇总、报表生成等处理，并对各下位机子系统进行监控和宏观调度。

    配电测控系统中，上下位机距离较远，为提高系统的抗干扰能力，采用了RS-485串行通信总线标准。RS-485总线采用差分传送，具有传输距离远、接点多、连线少的特点，已成为分布式监控系统中数据传输的首选标准。IPC没有RS-485接口，为此需配备RS-232/RS-485接口，本系统采用了泓格公司的7250/7521转换器。其中，7521为具有嵌入式CPU的智能通信控制器，可减少系统编程量，提高系统的可靠性和实时性，本系统实际使用的是7521D模块，7521D模块上有5个七段数码管，可以用程序控制它的亮灭，以监视系统的运行。除此之外，7521D和7521功能一样。后面介绍一律不再区分7521和7521D。

    本系统通信模块的连线示意图如图2所示，设计为1台上位机控制8台下位机，也可根据配电系统的实际需要进行扩充。

图2  具有智能通信模块的网络连线示意图

7521智能通信控制器简介

7521功能简介

    7521是泓格公司的752N智能通信控制器中的一种，可支持一个RS-232设备。模块内嵌AMD公司的Am188TMES控制器，装有MiniOS7嵌入式操作系统。可以为RS-485网络的任何一个RS-232设备，分配一个唯一的地址。模块内含双看门狗电路：一个硬件模块看门狗和一个软件主机看门狗，保护主机和7521模块。同时其RS-485端具有3000V高压隔离，可有效防止工业噪声干扰。

    7520模块是一个普通的RS-232/RS-485电平转换器，不具有智能通信功能。但其RS-485端同样具有3000V高压隔离。在此不再赘述。

7521工作模式

    7521有两种工作模式，一种是开发工作模式，一种是正常工作模式。

    在开发模式时，把7521的COM1口(RS-232)接到PC的串口并通过设置好通信格式后，7521将把PC的键盘作为其标准的输入，PC的显示器作为其标准的输出。在此方式下，可进行系统参数的配置和用户程序的下载。

    在正常工作模式时，7521将执行由AUTOEXEC.EXE文件中指向的程序。作为智能通信控制器使用时，7521在其FLASH ROM中已经预装了两个文件：AUTOEXEC.EXE和7521.EXE，开机后可由AUTOEXEC.EXE文件自动加载7521.EXE，从而完成智能通信的初始化配置。用户也可下载自己的应用程序到7521中以改变7521的功能。

7521模块功能命令简述

    7521的命令分为主控计算机发送给模块的命令和模块收到命令后的响应两部分。

    发送部分的命令格式：(前导字符)(地址)(CHK)(CR)，各项分别解释如下。

①(前导字符）：1个字节，表明命令的类型。模块的控制命令通常被分成几个不同的类型，通过前导字符使用一些特殊字符，如$、#、～等进行分类。
②(地址)：两个字节，表示命令将送至的模块。地址范围为00～FF，因此有256个地址。
③(命令)：1个或多个字节，指定模块执行的命令。这些命令通常使用不同的数字来表示不同的功能。
④(CHK)：冗余校验和(CheckSum),使用程序将所有传输的字符在ASCII对照码中的地址数值相加，保留最后的一个字节，拆成前后两个字符做为校验值。
⑤(CR)：Enter键，VB中为vbCr，表示命令的结束。

    7521收到命令后，多数情况下会返回给主机一个响应字符串。该响应字符串格式：(前导字符)(地址)(数据)(CHK)(CR)

    响应字符串(数据)只与命令字符串格式不同，其余部分均相同。数据部分要根据具体的命令解释。

    7521有30个实用命令，提供了较为完善的驱动程序。用户无须自己编写通信协议，只需按操作手册在主站计算机上安装好7521.exe及相关档案文件，正确连接计算机和7521模块，初始化后即可以开始工作。

上下位机通信系统抗干扰设计

    虽然RS-485总线标准具有较强的抗干扰能力，但在实际使用过程中，由于现场环境的恶劣、电磁干扰等情况，仍然会影响通信的可靠性，最典型的问题便是数据传输出现误码，严重的可能出现死机。因此，采取必要的提高可靠性和抗干扰能力的措施是十分重要的。在本系统中，从硬件线路和软件设计两方面进行了抗干扰设计。

系统通信硬件抗干扰措施

    在硬件线路上，主要是从隔离、接口标准及布线等方面加以考虑：

(1)本系统的RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，同时采用屏蔽的双绞线，抗噪声干扰性能较好。
(2)通信过程中，由于阻抗不连续和阻抗不匹配，可能会导致信号反射，影响信号的传输距离。双绞线的特性阻抗一般在110～130Ω之间，本系统在传输线末端接了一个120Ω的匹配阻抗以消除信号反射。
(3)本系统选用的7520/7521都是具有3000V隔离的RS-232/RS-485转换接口，如图3所示。

图3  7520/7521模块内部电路示意图

    由图3可看出，RS-485端和电源端同处一个区域，RS-485端使用的是接入电源。RS-232端则是模块内部经转换后的电源，电源在转换前后有3000V的隔离措施。由于噪声的来源大多来自电源端，强大的噪声会循着电源线进入模块内部，但只要此干扰在保护范围内，即可保证RS-232端的设备不被损坏，从而达到保护主控计算机的目的。

    7521的保护原理和7520一样，可以保护下位计算机不受RS-485网络中的噪声干扰。

系统通信软件抗干扰措施

    在实际系统设计中，要保证数据传输的可靠性，离不开硬件和软件的协调工作。为保证数据传输的准确性，在软件设计时也必须采取一定的措施。

(1)7521智能通信控制器具有CheckSum校验功能。在数据传输过程中采用累加和校验方式，可大大降低了数据传输出错率。CheckSum的计算方法如图4和图5所示。

图4  输出命令时的累加和校验流程

图5  检查返回结果的累加和校验流程

    例如发送的命令字符串是$012[Enter]，分别将前导字符($)、地址(01)、命令(2)三者的ASCII值相加，结果如下：

CheckSum=0×24＋0×30＋0×31＋0×32＝0×B7

    结果最后的两个字符为“B”和“7”，将它们并在发送命令的后面、[Enter]的前面，最后发送的字符串为$012B7[Enter]，如此就完成了一个带有CheckSum的命令字符串。

    当主机使用CheckSum的方式将命令发送时，必须先行计算此CheckSum的数值，接收到命令的模块也会将所接收到的字符串再进行一次CheckSum的计算，当二者的结果一致时，此次的传输便被认为是正确的；如果二者的结果不一致时，模块会返回相应的错误信息。

    同样的，主机在CheckSum激活的情况下接收模块返回的字符串时，也必须对Checksum的值进行校验，以确认传输过程的正确性。

    7521出厂设置为不激活CheckSum。为了保证数据传输的正确性，本系统设计为激活CheckSum，可用命令$AAKN激活。

(2)7521模块包含两种看门狗机制。第一种机制是监测7521模块的硬件看门狗，它属于硬件重置线路，开机后自动运行，其看门狗定时时间为1.6s。此线路会监视模块的操作状况，当模块处于恶劣的工作环境下而导致工作不正常时，此监视线路会使模块自动复位。系统正常工作时，应至少在1.6s内“喂狗”一次，以避免复位。若7521复位，可发送“$AA5”命令使其恢复正常。其流程如图6所示。

图6  7521硬件看门狗复位后处理办法

    第二种机制是软件主机看门狗。软件主机看门狗可以监测主机的状态。如果主机死机，所有的7521输出模块将回到它们预设的安全模式进行安全保护。主机正常运行时，每隔一段时间应该发送一条“主机正常”的命令以避免看门狗复位。其流程如图7所示

图7  软件主机看门狗流程

实验测试数据及分析

    根据系统设计和实验室条件，进行了串行通信数据的测试，如表1所示。

    从以上分析结果可以看出，在RS-485串行通信系统中加入智能通信控制器具有的CheckSum校验和看门狗机制，可以有效地降低串行通信的误码率，提高通信数据的成功率。系统的抗干扰能力有了较大提高。

结束语

    本系统从硬件和软件两个方面做了较完善的抗干扰设计，由于智能通信控制器自带CheckSum校验和软硬件看门狗功能，只需要相应的命令激活即可。减少了硬件成本和软件工作量，系统的可扩充性和可维护性增强。实验证明，本系统具有较好的实时性和可靠性，数据误码率非常低。再辅以软件滤波和冗余校验等措施，可进一步提高系统性能。因此本文对同类设计具有一定的理论和实践参考价值。