王亦寧，佟振清，臧秀娟

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

基于嵌入式編程技術(shù)的通用通信管理裝置設(shè)計(jì)與研究

王亦寧，佟振清，臧秀娟

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

由于水電廠中使用的設(shè)備種類眾多及生產(chǎn)廠家不同，在實(shí)際應(yīng)用中為實(shí)現(xiàn)眾多設(shè)備的互聯(lián)，需要增加通信管理裝置?，F(xiàn)有的通信管理裝置均需針對(duì)不同子設(shè)備的通信協(xié)議進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并不屬于真正意義上的直接面向用戶的產(chǎn)品。文中所述及的通信管理裝置采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的梯形圖作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用編譯及解釋執(zhí)行的手段，最終實(shí)現(xiàn)真正意義上的面向用戶的通信管理裝置。

嵌入式；通信管理裝置；通信協(xié)議；梯形圖

在水電廠中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為直接的監(jiān)視和操作設(shè)備，和運(yùn)行人員有著最直接和密切的關(guān)系。因而，水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所接入的監(jiān)測(cè)信號(hào)的完備性、可靠性直接決定了運(yùn)行人員的操作。水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于諸如調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)等子系統(tǒng)的接入多采用直接的I/O信號(hào)連接為主、現(xiàn)場(chǎng)總線形式的通信連接為輔的方式。由于水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器多采用通用的PLC，缺乏足夠的對(duì)外通信擴(kuò)展能力，因而在監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，需要額外增加通信管理裝置以實(shí)現(xiàn)和不同子系統(tǒng)間的現(xiàn)場(chǎng)總線形式的互聯(lián)。目前，實(shí)際應(yīng)用的通信管理裝置在物理接口上對(duì)外提供了諸如以太網(wǎng)、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、RS232/RS485等多種連接形式，在軟件方面依托于多任務(wù)的嵌入式系統(tǒng)對(duì)各個(gè)接口獨(dú)立編程從而實(shí)現(xiàn)通信互聯(lián)。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)軟件編程，需要由專業(yè)的研發(fā)人員針對(duì)不同廠家的不同產(chǎn)品所支持的軟件規(guī)約來(lái)進(jìn)行源碼級(jí)的程序編寫、編譯及下載。本文基于前述類型的通信管理裝置需要二次源碼級(jí)編程的不足，提出了采用梯形圖的形式進(jìn)行用戶應(yīng)用層的通信規(guī)約編程的手段，進(jìn)而避免源碼級(jí)的編程及下載，降低了裝置的使用難度（不需要源碼級(jí)編程，省去了整套嵌入式的開(kāi)發(fā)環(huán)境），從而使之成為真正意義上的可供用戶直接使用的通信管理裝置。

1 通信規(guī)約的實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)備通信規(guī)約的模型

在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的任何兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)應(yīng)用程序通信都遵從統(tǒng)一的通信模型（如圖1），數(shù)據(jù)流動(dòng)可以用收發(fā)兩個(gè)動(dòng)作來(lái)描述。把提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求服務(wù)的應(yīng)用程序稱為控制方向，即命令的下行；把提供數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用程序稱為監(jiān)測(cè)方向，即數(shù)據(jù)的上行。這樣，一個(gè)完整的規(guī)約有控制方和監(jiān)測(cè)方兩個(gè)方面?？刂品较蛳掳l(fā)送命令，并解析監(jiān)測(cè)方發(fā)來(lái)的應(yīng)答或主動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)或狀態(tài)指示報(bào)文；監(jiān)測(cè)方解析命令，根據(jù)請(qǐng)求命令組織應(yīng)答報(bào)文并上傳。

圖1 兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通信模型圖

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)備的通信規(guī)約都具有如下共同特性：幀結(jié)構(gòu)的相似性、數(shù)據(jù)對(duì)象種類和報(bào)文長(zhǎng)度的有限性、報(bào)文流的粒子性、邏輯過(guò)程的有窮性、傳送原因的可分類性。

在明確了通信雙方進(jìn)行通信的物理接口之后，設(shè)備通信規(guī)約可分為2部分：傳輸過(guò)程和傳輸幀。傳輸過(guò)程定義了通信雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的基本規(guī)則，傳輸幀則定義了雙方交換報(bào)文的具體意義，在進(jìn)行規(guī)約的解釋時(shí)必須嚴(yán)格遵守傳輸過(guò)程及傳輸幀所定義的語(yǔ)義。在對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中，傳輸過(guò)程主要表明了報(bào)文交換的先后順序，在程序或梯形圖中可表述為按照條件執(zhí)行的先后順序；傳輸幀則代表了雙方設(shè)備具體的互換信息，可表述為程序中的表達(dá)式或梯形中不同的運(yùn)算功能塊?；诖?，模型的重點(diǎn)在于對(duì)不同數(shù)據(jù)幀的處理。

一般而言，對(duì)于通信規(guī)約的數(shù)據(jù)幀，可按照如下格式[1]：

圖2 通信報(bào)文統(tǒng)一抽象格式

一幀報(bào)文都是由傳輸控制部分和數(shù)據(jù)部分合成得到的。傳輸控制部分包括同步字對(duì)象、長(zhǎng)度對(duì)象、傳輸方向?qū)ο?、源地址?duì)象、目的地址對(duì)象、幀號(hào)對(duì)象、功能符對(duì)象等構(gòu)成。任何具體的規(guī)約都是上述全部對(duì)象或其子集對(duì)象的一個(gè)具體排列。數(shù)據(jù)部分則可定義雙方傳輸?shù)男畔?nèi)容等，并可由功能碼指定。不難看出，通過(guò)編程或梯形圖很容易實(shí)現(xiàn)上述圖2通信報(bào)文的格式。

1.2 通信規(guī)約驅(qū)動(dòng)源碼級(jí)開(kāi)發(fā)的一般過(guò)程

對(duì)于通訊管理裝置，由于其內(nèi)部多采用嵌入式系統(tǒng)，在針對(duì)不同的對(duì)外接口開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)軟件時(shí)，一般遵循如下步驟：

1）安裝目標(biāo)機(jī)虛擬環(huán)境及相應(yīng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言包；

2）根據(jù)待通信設(shè)備的通信規(guī)約，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)軟件的源代碼編輯；

3）對(duì)驅(qū)動(dòng)軟件源代碼進(jìn)行交叉編譯，生成目標(biāo)機(jī)可執(zhí)行代碼；

4）下載可執(zhí)行代碼到目標(biāo)機(jī)；

5）利用在線調(diào)試環(huán)境運(yùn)行下載好的驅(qū)動(dòng)代碼，進(jìn)行在線調(diào)試；

1.3 通信規(guī)約的梯形圖驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

如果在通訊管理裝置中內(nèi)嵌了可以解釋執(zhí)行梯形的進(jìn)程，則開(kāi)發(fā)對(duì)外接口的驅(qū)動(dòng)步驟如下：

1）用可視化梯形組態(tài)編輯待通信設(shè)備的驅(qū)動(dòng)；

2）編譯梯形，生成二進(jìn)制中間代碼；

3）下載二進(jìn)制中間代碼到目標(biāo)機(jī)；

4）利用在線調(diào)試環(huán)境運(yùn)行下載好二進(jìn)制中間代碼，進(jìn)行在線調(diào)試；

2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

本通信管理裝置采用工業(yè)級(jí)PC104嵌入式控制PC作為主處理器，利用嵌入式Linux作為系統(tǒng)軟件，對(duì)外提供8個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)串行接口、1個(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線接口。裝置的整體硬件結(jié)構(gòu)如下[2]：

圖3 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

本通信裝置硬件具有以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）核心采用了高度集成、自棧結(jié)構(gòu)、IBM-PC/AT兼容的PC104嵌入式控制PC，具有體積小、功耗低、工作溫度寬的特點(diǎn)并且每個(gè)通訊通道均采用獨(dú)立的中斷和收發(fā)電路設(shè)計(jì)具有極高的可靠性；

（2）嵌入LINUX操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，充分利用了增強(qiáng)型80X86CPU的任務(wù)切換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了真正的多任務(wù)環(huán)境，使運(yùn)算速度及通信處理能力具有可靠保證；

（3）采用固態(tài)電子盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)，消除了硬盤轉(zhuǎn)動(dòng)部件的不可靠性；具有“看門狗”定時(shí)器，保證了嵌入式控制PC的運(yùn)行可靠性；

（4）具有8路標(biāo)準(zhǔn)串行接口、一個(gè)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線接口（支持CAN2.0B協(xié)議）和一個(gè)以太網(wǎng)接口（10M/100M），各個(gè)通訊接口均能夠獨(dú)立編程，支持多種聯(lián)接方式，能靈活應(yīng)用于各種實(shí)際需求；

（5）支持在線自診斷、自恢復(fù)功能；支持通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷和維護(hù)[3]。

3 裝置的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本裝置采用嵌入式Linux作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，軟件平臺(tái)具有多任務(wù)、小內(nèi)核、運(yùn)行穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)操作便捷等特點(diǎn)。Linux系統(tǒng)源碼公開(kāi)且內(nèi)核單一，操作系統(tǒng)中所有的系統(tǒng)相關(guān)功能都被封裝在內(nèi)核中，可以動(dòng)態(tài)裝入和卸載內(nèi)核中的部分模塊，因而修改和裁減內(nèi)核很方便。

裁減后的Linux內(nèi)核由5個(gè)部分組成：進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、進(jìn)程間通信和網(wǎng)絡(luò)接口[4]。本通信管理裝置采用的嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)架如圖4：

圖4 裁減后的Linux系統(tǒng)構(gòu)架圖

最底層是硬件層，硬件的上面是Linux內(nèi)核，它是操作系統(tǒng)的核心部分。Linux內(nèi)核為硬件管理提供一致的方式，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，為此內(nèi)核被分為兩個(gè)部分：底層接口層和高層抽象層。其中底層接口層專屬于硬件配置，內(nèi)核運(yùn)行在底層接口層之上，并以與硬件無(wú)關(guān)的API（高層抽象層）提供對(duì)硬件資源的直接控制。

在底層接口層和高層抽象層之間主要是文件系統(tǒng)類型和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它們構(gòu)成“解釋組件”，以讓內(nèi)核了解如何與特定設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交互[5]。

內(nèi)核之上是應(yīng)用程序，應(yīng)用程序提供了完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并針對(duì)各個(gè)不同的物理接口提供相應(yīng)的接口交互函數(shù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存取函數(shù)。該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理由各個(gè)接口上送上來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可按照特定的傳輸格式，設(shè)定某一接口傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到上級(jí)設(shè)備。為保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)各個(gè)接口驅(qū)動(dòng)軟件的可靠運(yùn)行，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序還對(duì)各個(gè)串口的通信驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行異常監(jiān)視，當(dāng)有驅(qū)動(dòng)軟件因故不正常運(yùn)行時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)軟件乃至通信管理裝置的重啟功能。

對(duì)于需要進(jìn)行源碼級(jí)開(kāi)發(fā)的外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件，提供靜態(tài)鏈接庫(kù)。外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程如圖5所示。

3.1 專用梯形圖的實(shí)現(xiàn)

圖5 源碼級(jí)驅(qū)動(dòng)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程

圖6 梯形圖編程的開(kāi)發(fā)過(guò)程

梯形圖是一種圖形化表示的編程語(yǔ)言，起源于繼電器邏輯和執(zhí)行線路，它用不同的圖符來(lái)表示不同的指令，用串、并采用梯形圖編程的開(kāi)發(fā)過(guò)程圖6所示。聯(lián)等概念組織圖符的順序位置來(lái)表述邏輯。它以其形象、直接、簡(jiǎn)單易用、與電氣控制原理圖相呼應(yīng)、易于掌握等特點(diǎn)而成為PLC的主要編程語(yǔ)言。通信管理裝置采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的梯形圖作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用編譯及解釋執(zhí)行的手段，最終實(shí)現(xiàn)為真正意義上的面向用戶的通信管理裝置。

本裝置梯形圖的編輯是利用Visual C++作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的。利用VC++的多文檔/視圖結(jié)構(gòu)以及MFC基礎(chǔ)類架構(gòu)實(shí)現(xiàn)基本的梯形圖可視化編輯操作，包括梯形圖對(duì)象的選擇、插入、剪切、復(fù)制、粘貼、刪除等功能。在編輯梯形圖程序的時(shí)候，每個(gè)梯形圖程序的元素個(gè)數(shù)，程序行數(shù)及其位置都是不固定的，所以采用動(dòng)態(tài)鏈表結(jié)構(gòu)。定義一個(gè)類用于構(gòu)造元素鏈表以及對(duì)鏈表進(jìn)行操作：

3.2 梯形圖功能塊設(shè)計(jì)

本嵌入式通信管理裝置梯形圖中的功能模塊（如賦值功能模塊、算數(shù)功能模塊等等）都可以看作是梯形圖中的基本元素。采用面向?qū)ο蠓椒▽?duì)梯形圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象，定義基類表征不同元素的最基本屬性和方法，同時(shí)針對(duì)不同種類的元素定義相應(yīng)的派生類。在設(shè)計(jì)中充分利用VC++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)提供的各種標(biāo)準(zhǔn)容器類可以方便實(shí)現(xiàn)梯形圖元素節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)添加和刪除，這樣極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。例如，在本裝置梯形圖組態(tài)編程軟件中，可以很容易實(shí)現(xiàn)諸如賦值、算術(shù)加、算術(shù)減等基本運(yùn)算單元（如圖7所示）。

圖7 賦值功能模塊和算術(shù)功能模塊

本通訊規(guī)約梯形圖組態(tài)主要提供了基本功能塊、算術(shù)運(yùn)算類、邏輯運(yùn)算類、關(guān)系運(yùn)算類、數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)類、事件觸發(fā)類、硬件接口類等幾大類功能塊。其中，事件觸發(fā)類和硬件接口類主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)約的定時(shí)響應(yīng)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

事件觸發(fā)類包含了毫秒定時(shí)器、秒定時(shí)器、分定時(shí)器、小時(shí)定時(shí)器幾個(gè)類型。通過(guò)定時(shí)器，可定時(shí)對(duì)串口外掛的子設(shè)備進(jìn)行規(guī)約輪詢，進(jìn)而可獲得各個(gè)子設(shè)備上送的報(bào)文信息。其形式如圖8所示。

圖8 事件觸發(fā)類的各功能模塊

硬件接口類包含了串口的打開(kāi)、串口關(guān)閉、串口讀取、串口寫入等功能塊。主要用于對(duì)特定串口進(jìn)行異步I/O操作，從而完成和外部子設(shè)備的交互功能。如圖9所示的2個(gè)功能塊分別實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的寫入和讀取功能。

圖9 硬件接口類功能模塊

3.3 在線調(diào)試與下載

通信管理裝置通過(guò)以太網(wǎng)接口與PC機(jī)連接通信，可分別下載各個(gè)串口的配置文件和規(guī)約腳本。通過(guò)對(duì)各通信接口的標(biāo)準(zhǔn)解釋進(jìn)程的控制，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)梯形圖的在線調(diào)試以及對(duì)各個(gè)通信接口的規(guī)約調(diào)試。其調(diào)試過(guò)程如圖10。

圖10 PC嵌入式通信管理裝置梯形圖編程下載與在線調(diào)試示意圖

4 幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 異常檢查問(wèn)題

該裝置的編譯系統(tǒng)可完整檢查編輯者輸入的程序是否符合梯形規(guī)范要求。在靜態(tài)編譯階段，根據(jù)梯形圖程序的特點(diǎn)，程序首先檢查每個(gè)程序段是否有輸入輸出；再檢查梯形圖中各個(gè)功能塊是否符合設(shè)定的輸入輸出規(guī)范，主要包括元素名稱、地址格式是否合乎規(guī)范、梯形圖中是否有孤立元件等。在解釋執(zhí)行階段可對(duì)出現(xiàn)異常的代碼進(jìn)行智能處理，主要包括死循環(huán)程序的異常管理、硬件接口的異常處理、非法運(yùn)算的異常處理等。通過(guò)對(duì)異常問(wèn)題的有效屏蔽，可避免因人為編程錯(cuò)誤造成的裝置異常，從而可有效提高裝置的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2 實(shí)時(shí)性的問(wèn)題

通信管理裝置必須具有足夠快的運(yùn)算速度，才能滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。為達(dá)到這一要求，本裝置采用了標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)和組態(tài)程序相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式。即對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜的通信規(guī)約（比如 IEC65870-5-103、IEC65870-5-104等規(guī)約），由嵌入式C語(yǔ)言直接開(kāi)發(fā)，提供標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行的進(jìn)程；對(duì)于大量的較為簡(jiǎn)單的、數(shù)據(jù)處理多樣性的通信規(guī)約（比MODBUS、CDT等規(guī)約），則直接進(jìn)行梯形圖組態(tài)及編譯執(zhí)行。

4.3 自恢復(fù)的問(wèn)題

軟件具有自檢和自恢復(fù)功能。自動(dòng)診斷各類任務(wù)、設(shè)備的運(yùn)行情況并進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)因某種干擾或硬件故障等原因發(fā)生運(yùn)行紊亂時(shí)，軟件看門狗能產(chǎn)生自恢復(fù)信號(hào)，自動(dòng)重新恢復(fù)運(yùn)行。

5 總結(jié)與展望

本文介紹了基于嵌入式編程技術(shù)的支持梯形圖進(jìn)行規(guī)約編程的通用通信管理裝置，該裝置可以靈活、方便、可靠、簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)地功能設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，完成各現(xiàn)地設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)總線以及以太網(wǎng)的互聯(lián)。采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的梯形圖作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)供用戶直接使用，編程簡(jiǎn)單、使用方便，大大降低了裝置的使用難度和提高編程效率。

[1]李洪波.變電站設(shè)備主從式通信規(guī)約分析及其實(shí)現(xiàn)方案[J].電力系統(tǒng)通信，2004,（5）.

[2]李斌，王曉航，施沖.嵌入式通信管理裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2004.

[3]MB系列智能可編程控制器MBPro編程軟件使用手冊(cè)[M].

[4]王學(xué)龍.嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.2001.

[5]夏明.基于Linux的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)[M].南京理工大學(xué)，2007.

[6]趙雨生，高美鳳.一種梯形圖編程系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)方法[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，（21）.

[7]胡海生，李生亮.VC++6.0編程[M].清華大學(xué)出版社，2003.

TP393.03

B

1672-5387（2011）03-0021-04

2011-04-11

王亦寧（1980-），男，工程師，主要從事水電廠自動(dòng)化技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)工作。