孫 強(qiáng),盧 琳

（西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院,陜西 西安710048）

隨著特種電源用于大規(guī)模的生產(chǎn)，對特種電源的集中監(jiān)控成為迫切需要。特種電源參數(shù)多，數(shù)據(jù)傳輸量大。一方面上位機(jī)在完成對多臺電源的狀態(tài)詢問的同時要保證控制指令及時傳輸?shù)较挛粰C(jī)，另一方面上位機(jī)要實(shí)時地顯示電源參數(shù)并繪制運(yùn)行曲線。本設(shè)計采用485總線，下位機(jī)電源控制器基于 TI公司的 DSP TMS320F2812，上位機(jī)與下位機(jī)通信采用VB.NET的SerialPort串行通信類，軟件的編寫在VS2008環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖 1)包括：上位 PC機(jī)、多臺 DSP、232/485轉(zhuǎn)換口、并聯(lián) 2個120 Ω的終端電阻、屏蔽雙絞線。485總線連接采用半雙工通信方式，以上位PC機(jī)為主機(jī)、多臺DSP為從機(jī)的主從式結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場控制單元以DSP為核心,一方面負(fù)責(zé)電源各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集與處理,控制電源的自動運(yùn)行;另一方面接收上位機(jī)的控制命令,對命令進(jìn)行解析判斷后及時調(diào)整電源的運(yùn)行參數(shù)。上位機(jī)通過232/485轉(zhuǎn)換口連接到485總線上，進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制命令的雙向傳輸,通過上位機(jī)軟件實(shí)時獲取現(xiàn)場電源的運(yùn)行數(shù)據(jù)和參數(shù),而且可以在線修改工藝參數(shù)和遠(yuǎn)程控制電源運(yùn)行。

2 監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件設(shè)計包括通信協(xié)議的制定，上位機(jī)軟件的編寫和DSP程序的設(shè)計。通信協(xié)議除了制定上位機(jī)和DSP通信的數(shù)據(jù)幀格式，還規(guī)定了數(shù)據(jù)收發(fā)時狀態(tài)的轉(zhuǎn)換機(jī)制。上位機(jī)程序利用SerialPort類和多線程技術(shù)完成與多臺DSP的通信，同時利用VB.NET中多線程技術(shù)和客戶自定義事件實(shí)現(xiàn)通信，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)顯示、曲線繪制等功能。

2.1 通信協(xié)議

因?yàn)橄到y(tǒng)采用一主多從的結(jié)構(gòu)，所以通信采用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)。Modbus協(xié)議包括ASCII和RTU，考慮到所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，本設(shè)計使用RTU協(xié)議。協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)是基于狀態(tài)機(jī)的操作，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。

為了滿足基本的監(jiān)控目標(biāo)，本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了Modbus-RTU協(xié)議的基本讀寫功能，也就是功能號為03 10的功能，其功能說明如表1所示。

表1 實(shí)現(xiàn)的功能碼說明

基本的協(xié)議幀應(yīng)答數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 03功能幀格式

2.2 軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

程序初始化時，從數(shù)據(jù)庫中讀取設(shè)備參數(shù)列表，根據(jù)讀取的設(shè)備個數(shù)實(shí)例化設(shè)備類，新建各設(shè)備的對象。每臺設(shè)備對象是在VB2008設(shè)計的自定義控件，每一個控件的數(shù)據(jù)處理和顯示單元是一個獨(dú)立的線程。每臺設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都要經(jīng)過先進(jìn)先出集合SendQueue和RecQueue。從發(fā)送集合SendQueue中取出數(shù)據(jù)，通過串行通信類Serial-Port與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從接收集合Rec-Queue中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)顯示。

2.2.1 通信程序設(shè)計

通信部分采用兩個線程。一個是發(fā)送線程，從發(fā)送集合SendQueue中取出數(shù)據(jù)，并從串行端口中發(fā)送數(shù)據(jù),在發(fā)送結(jié)束后添加接收數(shù)據(jù)事件(等待數(shù)據(jù)的接收)。另一個是數(shù)據(jù)處理線程，從接收集合RecQueue中取出接收到的數(shù)據(jù)，判斷DSP設(shè)備的地址，然后以產(chǎn)生事件的形式通知對相應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)的處理。

(1)SerialPort初始化

SerialPort通信參數(shù)的初始化在主窗體加載中完成，程序如下：

2.2.2 上位機(jī)程序設(shè)計

(1)多線程技術(shù)

首先根據(jù)建立的設(shè)備對象數(shù)量,為每個對象建立一個獨(dú)立的線程,用于負(fù)責(zé)該設(shè)備的所有實(shí)時通信、實(shí)時狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)庫讀寫操作,接著啟動各線程。采用多線程平行處理后,程序具有了很好的可定制性,只要根據(jù)實(shí)際需求修改線程數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)備數(shù)量系統(tǒng)的監(jiān)控,既簡單又可靠。

(2)并發(fā)性問題

因?yàn)樯衔粰C(jī)通過一個串行端口與多臺DSP通信，每臺設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理都需要訪問SendQueue和RecQueue，所以須要避免在同一時刻訪問集合而產(chǎn)生的沖突。本設(shè)計使用VB的SynLock關(guān)鍵字，使用該關(guān)鍵字可以定義必須在線程之間同步的一定范圍的語句。通過執(zhí)行該操作，將鎖住該集合，其他設(shè)備的數(shù)據(jù)要想訪問該集合，必須等待占用此集合的操作結(jié)束并釋放此鎖后才能進(jìn)行，這樣就避免了同時操作集合而引發(fā)的沖突。

(3)客戶自定義事件

因?yàn)榻邮盏降臄?shù)據(jù)需要顯示、數(shù)據(jù)處理、保存數(shù)據(jù)庫、繪制曲線等工作，如何保證這些工作能夠并行地開展成為要解決的關(guān)鍵問題。本設(shè)計采用VB的客戶自定義事件，把上述工作都放入到事件的集合中，當(dāng)產(chǎn)生事件時，就對集合中的每一項(xiàng)工作進(jìn)行并行處理，這樣即實(shí)現(xiàn)了“一主多播”。

2.2.3 DSP程序設(shè)計

DSP在執(zhí)行其他任務(wù)的同時能及時上傳數(shù)據(jù)和接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，提高工作效率。F2812采用中斷發(fā)送、中斷接收方式。下面僅以發(fā)送為例，流程圖如圖4所示。

圖4 DSP發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

通過對監(jiān)控軟件的設(shè)計，搭建485總線，用PC電腦連接多臺DSP控制器。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和準(zhǔn)確性，符合特種電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際要求。

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