孫 超

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710071)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Aquisition，SCADA)廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工等領(lǐng)域，其系統(tǒng)包括以下幾個(gè)組成部分:人機(jī)界面(Human Machine Interface，HMI)、遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)(RTU)以及通信網(wǎng)絡(luò)。其中RTU通過連接傳感器采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給HMI;操作員可以用HMI了解系統(tǒng)狀態(tài)，并決定是否要調(diào)整RTU的控制;通信網(wǎng)絡(luò)則提供HMI與RTU之間傳輸數(shù)據(jù)的管道。監(jiān)控中心的HMI組態(tài)軟件與RTU終端設(shè)備，采用少數(shù)幾種標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議進(jìn)行通信，如果RTU終端設(shè)備采用的是這幾種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議之一，則可以直接接入系統(tǒng)與組態(tài)軟件進(jìn)行通信，但如果RTU終端使用的不是這幾種標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，則無法直接與組態(tài)軟件連接，并且由于涉及到許多復(fù)雜的專業(yè)計(jì)算，又使得這些設(shè)備難以被替代。為此，可采用VC++串口通信技術(shù)編寫一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件，通過對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議組件的接入。

1 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件能實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件接入非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議組件需要滿足兩個(gè)條件:組態(tài)軟件所使用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議組件使用的協(xié)議能互相轉(zhuǎn)換;VC++編寫的軟件能與其它軟件或設(shè)備進(jìn)行串口通信。

方案中的組態(tài)軟件是組態(tài)王，組態(tài)王使用ModBus－RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與RTU終端設(shè)備通信。ModBus－RTU協(xié)議按主從方式通信，系統(tǒng)中只有一個(gè)主機(jī)，可以有一個(gè)或多個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)有唯一的地址。主機(jī)和從機(jī)的通訊以查詢/應(yīng)答的方式進(jìn)行，一次通信過程由主機(jī)構(gòu)建并發(fā)送查詢數(shù)據(jù)幀開始。所有的從機(jī)都將查看查詢數(shù)據(jù)幀中的地址并與本機(jī)地址比較:如果與本機(jī)地址不一致，則不作處理;如果與本機(jī)的地址一致，則按功能碼的要求完成操作并構(gòu)建應(yīng)答數(shù)據(jù)幀并發(fā)送給主機(jī)，從而結(jié)束一次通信過程［1－2］。

ModBus－RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀的格式如圖11所示。

圖1 ModBus－RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀的格式

對(duì)于查詢幀，地址碼表示主機(jī)要查詢哪一個(gè)從機(jī)，功能碼通知從機(jī)應(yīng)該執(zhí)行何種操作，數(shù)據(jù)提供了為執(zhí)行該操作而需要的一些附加信息，對(duì)于正常情況下的應(yīng)答幀，地址碼是本機(jī)的地址，功能碼與查詢幀相同，數(shù)據(jù)是從機(jī)按要求提供給主機(jī)的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)校驗(yàn)都采用16位CRC校驗(yàn)方式。

方案中非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議組件是成都某公司生產(chǎn)的雷電監(jiān)測(cè)儀。該雷電監(jiān)測(cè)儀使用的是企業(yè)自行定義的一種485通信協(xié)議［3］，該通信方式只要雷電監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)到雷擊事件或跳閘事件，就會(huì)自動(dòng)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀通過485串口發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)也可以發(fā)送指令查詢歷史數(shù)據(jù)。該自定義協(xié)議數(shù)據(jù)幀的格式如圖2所示。

圖2 雷電監(jiān)測(cè)儀自定義協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

幀頭是兩個(gè)固定的字節(jié)0xaa55，長(zhǎng)度是除幀頭外本數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)，命令表示檢測(cè)到的是什么事件，數(shù)據(jù)提供了所檢測(cè)到事件的檢測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用累加和校驗(yàn)方式［3］。

對(duì)比以上兩種協(xié)議的通信方式和數(shù)據(jù)幀格式可知，兩種協(xié)議在數(shù)據(jù)幀上具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在通信方式上存在的主要問題是ModBus－RTU協(xié)議采取主從式通信，只有在組態(tài)軟件發(fā)送查詢幀時(shí)，從機(jī)才能向組態(tài)軟件發(fā)送應(yīng)答幀，而自定義協(xié)議規(guī)定雷電監(jiān)測(cè)儀只要檢測(cè)到相關(guān)事件就自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，不會(huì)等待上位機(jī)的查詢幀。為此，可以在協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件中設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來暫時(shí)存放接收到的數(shù)據(jù)幀，等到被查詢時(shí)再發(fā)送組態(tài)軟件，這樣就可以實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換。

2 VC++串口通信技術(shù)

使用VC++實(shí)現(xiàn)串口通信［4］的方法有3種:使用MSComm控件、使用CSerialPort類或者使用Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信。MSComm控件由微軟提供，編程過程較容易，但控件內(nèi)部函數(shù)不開放不透明。Windows API是所有Windows應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，但編程過程比較繁瑣。CSerialPort類是一個(gè)免費(fèi)開放的串口通信類，不僅編程過程較容易，而且類函數(shù)均開放透明，允許使用者進(jìn)行改造。因此，本方案的串口通信使用CSerialPort類來實(shí)現(xiàn)。

CSerialPort是一個(gè)基于多線程的串口通信類，其工作流程如下:首先設(shè)置好串口參數(shù)，再開啟串口監(jiān)測(cè)工作線程，串口監(jiān)測(cè)工作線程檢測(cè)到串口接收到的數(shù)據(jù)、流控制事件或其他串口事件后，就以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這是對(duì)接收數(shù)據(jù)而言的;發(fā)送數(shù)據(jù)可以直接向串口發(fā)送［4］。

CSerialPort類定義了多個(gè)消息，但在一般的串口通信編程中只需要處理WM_COMM_RXCHAR這一個(gè)消息。WM_COMM_RXCHAR消息的功能是表示串口接收到一個(gè)字符并已放入接收緩沖區(qū)。

CSerialPort類還定義了多個(gè)函數(shù)，但在一般的串口通信編程中經(jīng)常用到的是InitPort()、StartMonitoring()、StopMonitor()、CloseMonitor()和WriteToPort()。

InitPort()在串口通信過程中首先被調(diào)用。此函數(shù)的作用是初始化串口，即設(shè)置串口的通信參數(shù):需要打開的串口號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位、停止位。這里還可以用來進(jìn)行事件的設(shè)定，如果串口初始化成功，就返回true，若串口被其它設(shè)備占用、不存在、或存在其它故障，就返回false，編程者可以提示串口操作是否成功。

StartMonitoring()函數(shù)一般緊跟在InitPort()之后調(diào)用。此函數(shù)的作用是啟動(dòng)串口監(jiān)測(cè)線程，如果線程啟動(dòng)成功，則函數(shù)返回true。在調(diào)用InitPort()函數(shù)和StartMonitoring()函數(shù)后，串口就被打開，各種串口狀態(tài)和事件就可以被檢測(cè)到了。

在串口通信過程中，當(dāng)需要通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可調(diào)用WriteToPort()函數(shù)。該函數(shù)的功能是寫串口，即向串口發(fā)送字符。

在串口通信過程中，當(dāng)需要暫?；蛲Ｖ勾诒O(jiān)測(cè)時(shí)，可調(diào)用StopMonitor()函數(shù)。調(diào)用該函數(shù)后串口被暫?；蛲Ｖ?，但串口資源仍被占用。

CloseMonitor()函數(shù)的功能是關(guān)閉串口，釋放串口資源。調(diào)用該函數(shù)后，如果要繼續(xù)使用串口，需要重新調(diào)用InitPort()和StartMonitoring()函數(shù)。

3 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件的總體結(jié)構(gòu)

協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件有3個(gè)線程，主線程顯示主界面，用來設(shè)置參數(shù)及顯示串口通信數(shù)據(jù)，兩個(gè)串口通信線程分別用來與組態(tài)王和非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議組件通信。軟件各部分功能采用模塊化處理，使程序簡(jiǎn)潔易懂，便于移植。

(1)線程間數(shù)據(jù)傳輸模塊。用于主線程與兩個(gè)子線程之間傳遞數(shù)據(jù)。主界面上設(shè)置的參數(shù)通過全局變量傳遞給子線程，子線程中對(duì)參數(shù)的修改也通過全局變量反映到主界面。子線程之間的線程同步使用互斥對(duì)象(CMutex)來實(shí)現(xiàn)。

(2)串口通信模塊。用于與組態(tài)王和雷電監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行通信。監(jiān)聽并接收來自于組態(tài)王和雷電監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)幀，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給這兩個(gè)設(shè)備。

(3)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。用于ModBus－RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀與雷電監(jiān)測(cè)儀非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換。將接收到的ModBus－RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)提取出來，按照非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議構(gòu)造成新的數(shù)據(jù)幀，然后發(fā)送給雷電監(jiān)測(cè)儀。同理，將接收到的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)提取出來，按照ModBus－RTU協(xié)議生成新的數(shù)據(jù)幀，然后在被查詢時(shí)發(fā)送給組態(tài)軟件。

(4)數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K。用于對(duì)串口接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)。ModBus－RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀所使用的是16位CRC校驗(yàn)，非標(biāo)協(xié)議數(shù)據(jù)幀所使用的是累加和校驗(yàn)。對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)幀通過比較按照相應(yīng)協(xié)議的校驗(yàn)方式計(jì)算的校驗(yàn)碼與接收到數(shù)據(jù)幀中的校驗(yàn)碼是否相同來判斷接收到的數(shù)據(jù)幀是否有效;對(duì)于待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀則按照相應(yīng)協(xié)議的校驗(yàn)方式來計(jì)算生成該數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)碼。

3.2 串口通信模塊

串口通信分為串口接收和串口發(fā)送。串口發(fā)送，只要在需要發(fā)送時(shí)調(diào)用寫串口函數(shù)WriteToPort()就可以將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去了。由于串口接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)間是隨機(jī)的，所以需要對(duì)串口進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，以便接收到數(shù)據(jù)幀后能及時(shí)處理。串口通信線程的接收處理流程如圖3所示。

圖3 串口通信接收處理流程圖

3.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

串口接收到數(shù)據(jù)幀后將數(shù)據(jù)幀存放在數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。當(dāng)軟件檢測(cè)到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中有新的數(shù)據(jù)幀時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)協(xié)議轉(zhuǎn)換過程。協(xié)議轉(zhuǎn)換的流程如圖4所示。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換流程圖

3.4 軟件的界面

軟件編寫好之后和組態(tài)軟件一起運(yùn)行于Windows平臺(tái)。默認(rèn)狀態(tài)下軟件是在后臺(tái)運(yùn)行的，只有在需要查看時(shí)才調(diào)出如圖5所示的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件運(yùn)行主界面。圖5中485串口和ModBus串口用于設(shè)置協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件與雷電監(jiān)測(cè)儀和組態(tài)王進(jìn)行通信的串口號(hào)。485接收窗口和ModBus接收窗口用于顯示接收到的數(shù)據(jù)幀，以便查看軟件與組態(tài)王和雷電監(jiān)測(cè)儀的通信是否正常。

軟件工作流程為:首先設(shè)置485串口和ModBus串口的串口號(hào)，然后打開串口開始對(duì)串口進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，如果監(jiān)測(cè)到來自組態(tài)王的數(shù)據(jù)幀，則將其顯示在ModBus接收窗口，然后根據(jù)組態(tài)王數(shù)據(jù)幀的指令或直接到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中取出新接收到的雷電監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)換為應(yīng)答幀發(fā)送給組態(tài)王，或者將組態(tài)王數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為符合非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給雷電監(jiān)測(cè)儀。如果監(jiān)測(cè)到來自雷電監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)幀，則將其顯示在485接收窗口，然后存放到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，等待組態(tài)王的查詢。

圖5 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件界面

4 結(jié)束語

組態(tài)軟件廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)中，需要與各種使用非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的設(shè)備互連。本文介紹了一種采用VC++串口通信技術(shù)編寫一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件來解決工業(yè)組態(tài)軟件接入非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議組件的方案。該協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件已在某智能化電力監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用，為解決組態(tài)軟件接入非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議組件的問題提供了一個(gè)參考。

［1］ 呂國(guó)芳，唐海龍，李進(jìn).基于ModBus RTU的串口調(diào)試軟件的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19(9):236－238.

［2］ 顏河恒，王曉華，佟為明.Modbus關(guān)鍵技術(shù)分析及節(jié)點(diǎn)開發(fā)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25(5):49－51.

［3］ 四川中光防雷科技股份有限公司.ZGLF－2通信協(xié)議［M］.成都:四川中光防雷科技股份有限公司，2012.

［4］ 龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.