黃世遠(yuǎn) 楊如輝 郭謀發(fā) 楊耿杰 高 偉

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350002；2.福建省漳浦縣供電有限公司，福建 漳浦 363200)

1 引言

配電自動(dòng)化系統(tǒng)是對(duì)配電網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)視、協(xié)調(diào)和控制的一個(gè)集成系統(tǒng)。配電自動(dòng)化要借助可靠的通信手段，將配電現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備所采集的各種信息上傳至監(jiān)測(cè)中心，同時(shí)將監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備，但由于通信規(guī)約互不兼容，彼此間無法互聯(lián)，阻礙了通信的順利進(jìn)行。規(guī)約轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)通信規(guī)約互聯(lián)的關(guān)鍵，其核心技術(shù)就是規(guī)約轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)[1-3]。

所設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器可應(yīng)用于小區(qū)集中抄表、大用戶抄表、線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)等各種配電自動(dòng)化系統(tǒng)，作為接口設(shè)備提供多種物理通道用于數(shù)據(jù)傳輸，如通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[4-6]或RS-485接口接收現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備采集上傳的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)解析判斷后，按照《Q/GDW 130－2005電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》[7-8]（簡(jiǎn)稱負(fù)控規(guī)約）通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[9-11]，實(shí)現(xiàn)不同通信規(guī)約間的互換。

2 通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器是基于 RCM 5700模塊的嵌入式系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖1，分為系統(tǒng)和接口兩部分。系統(tǒng)部分為核心部件，采用 RCM 5700模塊，內(nèi)含CPU、存儲(chǔ)器和復(fù)位等電路。接口部分實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換器的專門功能，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合特點(diǎn)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，128K SRAM、1M Flash和4M Serial Flash均為RCM 5700模塊板載存儲(chǔ)器，分別為程序運(yùn)行主內(nèi)存、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；MAXIM 485E芯片實(shí)現(xiàn) TTL電平的 UART到 RS-485接口的轉(zhuǎn)換；SP3232實(shí)現(xiàn)TTL電平的UART到RS-232接口的轉(zhuǎn)換，作為調(diào)試接口，為增加可用的RS-485接口，調(diào)試成功后即轉(zhuǎn)為RS-485接口，復(fù)用串口A；ME3000 GPRS為GPRS模塊；XBee RF模塊為ZigBee模塊；撥碼開關(guān)控制RS-485接口功能的開啟或關(guān)閉；串口狀態(tài)指示燈指示處于工作狀態(tài)的RS-485接口。

2.1 系統(tǒng)部分

系統(tǒng)部分是規(guī)約轉(zhuǎn)換器的核心硬件，主要包括CPU、存儲(chǔ)器、復(fù)位等電路。以下主要介紹CPU和存儲(chǔ)器的選擇與設(shè)計(jì)。

（1）中央處理器

配電網(wǎng)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器要求 CPU能處理大量數(shù)據(jù)，具有較多串口、較高工作穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗干擾能力。

RCM 5700模塊采用Rabbit5000微處理器，工作頻率可達(dá)50MHz，6個(gè)高速CMOS兼容串口均可配置為異步串口，時(shí)鐘擴(kuò)展頻譜可減少EM I，且內(nèi)置存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘芯片等，適合于規(guī)約轉(zhuǎn)換器這種多串口多任務(wù)的嵌入式系統(tǒng)。此外，模塊生產(chǎn)商為用戶提供了廣泛的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫和例程、免費(fèi)的TCP/IP源代碼，專用的編程開發(fā)系統(tǒng)Dynam ic C也已移植好μC/OS-II，相比單片機(jī)、ARM等易于開發(fā)和實(shí)施嵌入式系統(tǒng)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，采用 RCM 5700作為主控制器。

（2）存儲(chǔ)系統(tǒng)

RCM 5700模塊已內(nèi)置存儲(chǔ)芯片，在滿足性能要求條件下，優(yōu)先考慮使用這些存儲(chǔ)器。RCM 5700模塊的存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件包括3部分：Rabbit 5000微處理器內(nèi)置的128KB SRAM、RCM 5700模塊板載的1MB Flash S29AL008D和4MB Serial Flash AT45DB041B。

通常程序的運(yùn)行空間采用RAM，由于在規(guī)約轉(zhuǎn)換過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)處理，且考慮到以后新規(guī)約的加入，RAM容量應(yīng)盡量大，Rabbit 5000微處理器內(nèi)置的 SRAM容量達(dá)128KB可滿足要求；程序存儲(chǔ)器通常采用 Flash，RCM 5700模塊板載的1MB Flash S29AL008D也足以滿足要求；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)內(nèi)容包括：歷史故障信息、全部通信規(guī)約和通信接口的設(shè)置參數(shù)，這些設(shè)置參數(shù)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，加載到 RAM 中進(jìn)行參數(shù)配置，參數(shù)更新時(shí)保存其最新狀態(tài)到 Flash中，并在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)再次載入到 RAM。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較大，RCM 5700模塊板載的Serial Flash AT45DB041B容量達(dá)4MB，滿足存儲(chǔ)要求。

2.2 接口部分

規(guī)約轉(zhuǎn)換器的接口電路包括RS-232/485接口、GPRS模塊、ZigBee模塊等。

（1）GPRS模塊接口電路

GPRS通信模塊使用中興公司的ME3000，模塊通過UART與RCM 5700模塊接口，通信波特率為115200 bps，電路如圖2所示。CARD_RST、CARD_DAT、CARD_CLK、V_CARD是GPRS模塊與SIM卡的接口線；/RESET是模塊復(fù)位引腳，低電平有效，低脈沖持續(xù)時(shí)間超過20ms時(shí)模塊正常復(fù)位；/RTS、/DTR為模塊的UART控制信號(hào)，因設(shè)計(jì)中直接使用TXE和RXE與RCM 5700模塊通信，故將/RTS和/DTR直接拉低；ON/OFF為模塊的上/下電控制引腳，低電平有效，低脈沖持續(xù)時(shí)間超過1.5s時(shí)模塊開啟，低脈沖持續(xù)時(shí)間超過2s時(shí)模塊關(guān)閉。

圖2 GPRS模塊與RCM 5700模塊接口電路

GPRS模塊的外圍電路包括模塊供電與SIM卡。需注意的是，GPRS模塊在工作時(shí)需較大電流，如ME3000瞬時(shí)最大電流達(dá)1.5A以上并要求電壓基本恒定（3.7V），而供電電流不足常是導(dǎo)致GPRS模塊工作不穩(wěn)定的主要原因之一，因此設(shè)計(jì)時(shí)最好應(yīng)使用專用供電芯片，如 M IC29302等，保證供電質(zhì)量可靠。

（2）ZigBee無線接口電路

ZigBee通信模塊采用Digi公司的XBee RF模塊，模塊具有性價(jià)比高、功耗低、接收器靈敏度高等特點(diǎn)。模塊分成XBee和XBee PRO兩種，XBee模塊一般作為網(wǎng)絡(luò)中的終端通信模塊，XBee PRO作為路由通信模塊或者協(xié)調(diào)者通信模塊。規(guī)約轉(zhuǎn)換器采用XBee PRO模塊，配置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)。ZigBee模塊通過 UART與RCM 5700模塊接口，電路如圖3所示。

圖3 ZigBee模塊與RCM 5700模塊接口電路

規(guī)約轉(zhuǎn)換器作為接口設(shè)備，也承擔(dān)數(shù)據(jù)匯總的任務(wù)，需從眾多的終端ZigBee模塊接收數(shù)據(jù)包，設(shè)計(jì)采用API操作模式，配合多對(duì)一路由方式，可有效提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由效率，保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)暢通。

XBee PRO模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，使用前需對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址（PAN ID）、掃描信道（Scan Channel）、目的地址、串口通信參數(shù)、睡眠模式、網(wǎng)絡(luò)安全和I/O口等進(jìn)行合理設(shè)置，保證模塊運(yùn)行可靠。

（3）RS-485接口電路

規(guī)約轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了四路RS-485接口，其中串口A可復(fù)用為RS-232接口，作為調(diào)試口，調(diào)試成功后便可切換回 RS-485接口。由MAXIM 485E轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平UART到RS-485的轉(zhuǎn)換，因四路電路相同，文中僅列舉一路，如圖 4所示。UART擴(kuò)展RS-485包括接收、發(fā)送、流向控制3根線，光耦OP1、OP2、OP3使RS-485總線通信驅(qū)動(dòng)電路與儀表內(nèi)部工作電路隔離，保證儀表內(nèi)部工作不受通信總線上噪聲信號(hào)的干擾，提高通信可靠性。通信波特率可達(dá)115200 bps以上。

3 通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ

圖4 RS-485接口電路

通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器完成的功能較為復(fù)雜，包括數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、規(guī)約轉(zhuǎn)換和傳輸，單任務(wù)系統(tǒng)難以滿足功能要求，需采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有 uLinux、windowsCE、μC/OS-Ⅱ等[12-14]。

μC/OS-Ⅱ是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有搶占式實(shí)時(shí)內(nèi)核，采用用戶自定優(yōu)先級(jí)方式管理任務(wù)，最多可管理64個(gè)任務(wù)，任務(wù)間的調(diào)度、切換速度快，實(shí)時(shí)性高，且編譯軟件Dynam ic C已移植好μC/OS-Ⅱ，開發(fā)中無需移植，減少了軟件設(shè)計(jì)的工作量，基于以上優(yōu)點(diǎn)，采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)多任務(wù)并行執(zhí)行的軟件。

3.2 應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

基于μC/OS-Ⅱ的應(yīng)用設(shè)計(jì)，首先按照接口功能劃分任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求分配任務(wù)優(yōu)先級(jí)，數(shù)字越小，優(yōu)先級(jí)越高，此外還需按照各個(gè)任務(wù)所處理數(shù)據(jù)量的大小，給每個(gè)任務(wù)分配大小合適的棧空間。

經(jīng)分析，通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的主要任務(wù)可分為ZigBee通信任務(wù)、RS-485通信任務(wù)、GPRS通信任務(wù)和負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)，實(shí)現(xiàn)DL/T 645抄表規(guī)約[15]和自定義配電網(wǎng)規(guī)約與負(fù)控規(guī)約的相互轉(zhuǎn)換。負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)作為核心任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)通道數(shù)據(jù)的解析、轉(zhuǎn)換，要求實(shí)時(shí)性最高，故優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高；其余通信任務(wù)按照實(shí)時(shí)性要求，設(shè)置GPRS通信任務(wù)優(yōu)先級(jí)第二高，ZigBee通信任務(wù)優(yōu)先級(jí)次于GPRS通信任務(wù)，RS-485通信任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低。創(chuàng)建任務(wù)的函數(shù)段如下：

OSTaskCreate(TaskFukong，(void*)0，TASKFukong_STK_SIZE，12);//創(chuàng)建負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)，優(yōu)先級(jí)12

OSTaskCreate(TaskGPRS，(void*)0，TASKGPRS_STK_SIZE，13);//創(chuàng)建GPRS通信任務(wù)，優(yōu)先級(jí)13

OSTaskCreate(TaskZigBee，(void*)0，TASKZigBee_STK_SIZE，14); //創(chuàng)建ZigBee通信任務(wù)，優(yōu)先級(jí)14

OSTaskCreate(Task485，(void*)0，TASK485_STK_SIZE，15);//創(chuàng)建RS-485通信任務(wù)，優(yōu)先級(jí)15

任務(wù)間相對(duì)獨(dú)立但可通過全局變量、信號(hào)量、郵箱等機(jī)制通信。各個(gè)任務(wù)分別編寫，能夠提高軟件開發(fā)效率，有助于軟件的升級(jí)維護(hù)。軟件升級(jí)可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合所需規(guī)約的特點(diǎn)，修改接口功能，并編寫相應(yīng)任務(wù)，擴(kuò)展設(shè)計(jì)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。設(shè)計(jì)的程序流程結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

任務(wù)操作對(duì)象為緩沖區(qū)，緩沖區(qū)開辟在系統(tǒng)RAM中，可分為一級(jí)緩沖區(qū)和二級(jí)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)均包括接收和發(fā)送兩個(gè)子緩沖區(qū)，圖5中顯示的均為二級(jí)緩沖區(qū)。一級(jí)緩沖區(qū)是用戶為使用Dynam ic C提供的讀寫串口的庫函數(shù)，依據(jù)需求為各個(gè)串口開辟一定容量的輸入輸出緩沖區(qū)。圖5各任務(wù)中的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，便是調(diào)用串口讀寫庫函數(shù)，對(duì)相應(yīng)的一級(jí)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。緩沖區(qū)被多個(gè)任務(wù)操作時(shí)，可通過信號(hào)量進(jìn)行同步，或通過緩沖區(qū)自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)避免同步問題。此外需注意 Dynam ic C中默認(rèn)的 μC/OS-Ⅱ時(shí)鐘節(jié)拍為64Hz，為方便計(jì)算時(shí)鐘周期，將其設(shè)為50Hz，即一個(gè)時(shí)鐘周期為20ms。下面主要介紹各任務(wù)的設(shè)計(jì)與規(guī)約轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)。

（1）ZigBee通信任務(wù)

串口F提供ZigBee通道，采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)無線傳輸。

1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約

ZigBee采用API操作模式，API包結(jié)構(gòu)如表1所示。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀類型決定，當(dāng)幀類型為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)地址和一個(gè)64位地址。64位地址是模塊在生產(chǎn)期間分配的唯一設(shè)備地址，可直接獲取。16位網(wǎng)絡(luò)地址是模塊在加入網(wǎng)絡(luò)后獲得的，除網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的地址為固定的0x0000，其余模塊（包括路由模塊和終端模塊）地址均是任意的，且在某些情況下還是可變的，故16位網(wǎng)絡(luò)地址不可預(yù)知，傳輸時(shí)通常設(shè)16位目標(biāo)地址為0xFFFE，表示16位目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址未知，需搜索16位網(wǎng)絡(luò)地址。

表1 API包結(jié)構(gòu)

表2 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)域存放要發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式可由用戶依實(shí)際需要制定。設(shè)計(jì)的用戶數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)格式采用自定義配電網(wǎng)規(guī)約，格式為一字節(jié)功能碼+可變字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由功能碼和傳輸方向共同決定。

2）ZigBee通信任務(wù)的執(zhí)行

按照任務(wù)設(shè)計(jì)思路，將圖5中所有ZigBee操作模塊封裝為一個(gè)任務(wù)，即任務(wù)包含接收、發(fā)送及解析三部分，任務(wù)采用查詢方式無限循環(huán)執(zhí)行，接收到一個(gè)有效幀后，依據(jù)自定義規(guī)約解析出用戶數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)，對(duì)需要上傳的數(shù)據(jù)，打包后放入ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，并將相應(yīng)接收緩沖區(qū)標(biāo)志位置位，等待負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)對(duì)其進(jìn)行處理（轉(zhuǎn)換成負(fù)控規(guī)約結(jié)構(gòu)幀）；當(dāng)發(fā)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，則將其打包發(fā)送。

（2）RS-485通信任務(wù)

串口A～串口D均提供RS-485接口，依據(jù)DL/T 645規(guī)約實(shí)現(xiàn)抄表功能。

1）DL/T 645規(guī)約

DL/T 645規(guī)約是用于多功能電能表的數(shù)據(jù)采集規(guī)約，定義了3層結(jié)構(gòu)，分為物理層、鏈路層和應(yīng)用層。

物理層提供3種接口:接觸式光學(xué)接口、調(diào)制型紅外接口和RS-485接口。其中RS-485接口通信速率較高，可達(dá)100kbps。

鏈路層規(guī)定通信幀格式。包括幀結(jié)構(gòu)、字節(jié)結(jié)構(gòu)、傳送順序、傳送間隔。幀格式如表3所示。

表3 DL/T 645規(guī)約幀格式

應(yīng)用層定義通信雙方行為的集合，控制碼C表示具體通信行為，決定了長(zhǎng)度L及數(shù)據(jù)域DATA。

2）RS-485通信任務(wù)的執(zhí)行

如圖5所示，將所有RS-485操作模塊封裝為一個(gè)任務(wù)。撥碼開關(guān)控制4個(gè)RS-485接口的開啟，并將開啟串口的對(duì)應(yīng)標(biāo)志位置位。任務(wù)無限循環(huán)執(zhí)行，每次執(zhí)行均先查詢各串口標(biāo)志位，確定開啟的串口，任務(wù)依次對(duì)開啟的串口進(jìn)行操作，且只操作開啟的串口。抄表過程為問答方式，即轉(zhuǎn)換器提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，電能表響應(yīng)數(shù)據(jù)。每個(gè)開啟串口的處理流程均相同，一次處理流程為：發(fā)送詢問幀、等待應(yīng)答、按 DL/T 645規(guī)約解析數(shù)據(jù)并將需要上傳數(shù)據(jù)置入RS-485數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)、將相應(yīng)接收緩沖區(qū)標(biāo)志位置位等待負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)對(duì)其進(jìn)行處理。

（3）GPRS通信任務(wù)

1）GPRS通信設(shè)計(jì)

ME3000模塊提供AT指令接口，可方便ME3000模塊與RCM 5700模塊進(jìn)行通信。所提供AT指令集不僅涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)的GSM語音和短信應(yīng)用，還包含為方便用戶使用而提供的 ZTE 專有指令。

通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器對(duì)GPRS模塊的操作可分為兩部分，一是實(shí)現(xiàn)GPRS基本通信所用到的操作，包括上/下電控制、復(fù)位、打開GPRS數(shù)據(jù)連接，建立TCP服務(wù)器鏈接、數(shù)據(jù)收發(fā)等；二是為保證 GPRS通信可靠所采取的必要狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括信號(hào)強(qiáng)度查詢、SIM卡狀態(tài)查詢、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)查詢、當(dāng)前TCP連接狀態(tài)查詢等。

因 GPRS模塊上電后需較長(zhǎng)時(shí)間保證網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)、準(zhǔn)備好接收指令，故不應(yīng)通信失敗就重啟GPRS模塊。依據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用合理的操作及合適的操作節(jié)奏可較快排除GPRS通信故障，保證GPRS通信可靠。如發(fā)現(xiàn)連接TCP服務(wù)器失敗后，不應(yīng)立即重啟GPRS模塊，應(yīng)延時(shí)一段時(shí)間后再嘗試連接TCP服務(wù)器，若連續(xù)3次連接TCP服務(wù)器均失敗，則返回到上級(jí)操作，即 GPRS數(shù)據(jù)連接，若連續(xù) 3次GPRS數(shù)據(jù)連接也失敗，則重啟GPRS模塊。整個(gè)GPRS操作流程如圖6所示。

2）GPRS通信任務(wù)的執(zhí)行

圖5中全部GPRS操作模塊封裝成一個(gè)任務(wù)，完成GPRS數(shù)據(jù)鏈路維護(hù)、數(shù)據(jù)收發(fā)。任務(wù)采用查詢方式無限循環(huán)執(zhí)行，接收到一個(gè)有效幀后，即存入GPRS數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，并將相應(yīng)接收緩沖區(qū)標(biāo)志位置位，等待負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)對(duì)其進(jìn)行處理；當(dāng)發(fā)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，即將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。

圖6 GPRS模塊處理流程圖

（4）負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)

1）負(fù)控規(guī)約

負(fù)控規(guī)約采用3層增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，采用GB/T18657.1的6.2.4FT1.2異步式傳輸幀格式。定義如表4所示。

表4 GB/T18657.1的6.2.4FT1.2異步式傳輸幀格式

為適應(yīng)現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展，負(fù)控規(guī)約提供了多種可選物理通道。其中一般串口和紅外通道可作為測(cè)試使用，TCP/UDP可作為主站與終端的通道，短消息可用于通知用戶緊急事件。

2）負(fù)控規(guī)約解析的執(zhí)行

按照任務(wù)設(shè)計(jì)思路，將全部的負(fù)控規(guī)約解析模塊封裝成一個(gè)任務(wù)，即解析任務(wù)，它是規(guī)約轉(zhuǎn)換器軟件中最復(fù)雜的部分，封裝了絕大部分的負(fù)控規(guī)約功能，是實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換的核心。解析任務(wù)與各個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)（包括數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和全局標(biāo)志位系統(tǒng)）接口，以獲取構(gòu)建規(guī)約幀所需的數(shù)據(jù)，并且無限循環(huán)執(zhí)行，執(zhí)行方式為查詢觸發(fā)式，即任務(wù)輪詢?nèi)謽?biāo)志位系統(tǒng)中表示各接收緩沖區(qū)的標(biāo)志位，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)接收緩沖區(qū)有需要處理的數(shù)據(jù)則立刻將其按照負(fù)控規(guī)約構(gòu)造數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)規(guī)約的轉(zhuǎn)換，然后清此標(biāo)志位，繼續(xù)查詢其余接收緩沖區(qū)標(biāo)志位，直到所有接收緩沖區(qū)標(biāo)志位均清零，一次循環(huán)過程結(jié)束。一次循環(huán)流程可歸納為：輪詢檢查、發(fā)現(xiàn)待處理數(shù)據(jù)、鎖定執(zhí)行（讀寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，構(gòu)造數(shù)據(jù)幀）、輸出結(jié)果（將構(gòu)造幀填入各個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，將事件存入Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)）。

（5）規(guī)約轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述各任務(wù)的設(shè)計(jì)原理，下面以設(shè)計(jì)的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器用于線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)并通過 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場(chǎng)采集器依自定義規(guī)約發(fā)送的數(shù)據(jù)為例，說明規(guī)約轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)過程。

某次 ZigBee通信任務(wù)接收到一個(gè)采集器發(fā)送的有效幀，經(jīng)自定義規(guī)約解析后得到需要上傳的表示線路狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為功能碼（11H）+采集器地址+狀態(tài)碼1+狀態(tài)碼2+狀態(tài)碼3，數(shù)據(jù)打包后放入ZigBee接收緩沖區(qū)，負(fù)控規(guī)約解析任務(wù)發(fā)現(xiàn)ZigBee接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)等待處理，即讀取Flash中的負(fù)控規(guī)約設(shè)置參數(shù)，按負(fù)控規(guī)約要求構(gòu)造數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)自定義規(guī)約向負(fù)控規(guī)約的轉(zhuǎn)換，所得數(shù)據(jù)幀格式如表5所示。

表5 負(fù)控規(guī)約構(gòu)造幀格式

4 結(jié)論

從硬件和軟件兩方面系統(tǒng)地介紹了通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)在滿足功能、性能要求的同時(shí)突出可擴(kuò)展性，將硬件分為系統(tǒng)部分和接口部分。軟件部分側(cè)重介紹μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)、ZigBee通信、RS-485通信、GPRS通信及自定義規(guī)約和DL/T 645規(guī)約與負(fù)控規(guī)約的相互轉(zhuǎn)換。所設(shè)計(jì)的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器具有多串口，擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性高等特點(diǎn)。

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