秦 坤，袁嫣紅，諸建強

(1. 浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018;2. 杭州依途科技有限公司 技術部，浙江 杭州 310018)

隨著制造企業(yè)生產過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)的推廣應用和普及，工業(yè)生產過程中的信息，如溫濕度、加工工藝、條碼數(shù)據(jù)等必須進行實時傳輸和保存，以便生產管理人員對工藝參數(shù)和過程進行監(jiān)測，對問題進行追溯分析[1].生產過程的信息主要使用RS232、RS485、CAN、以太網等總線進行傳輸.這類總線都需要施工布線來構建物理層，但這在部分空間有限、布線困難的生產車間內是無法實現(xiàn)的.基于電力線載波(Power Line Carrier, PLC)的通信方式可以較好地解決重新布線問題，但是在電力線上進行通信，通常存在數(shù)據(jù)丟失率較高的問題.生產過程中產生的信息是MES分析處理的關鍵數(shù)據(jù)，因此保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允种匾?

在電力線上構建通信網絡需要合適的介質訪問控制(Medium Access Control,MAC)層.MAC層主要使用的協(xié)議有以太網CSMA/CD、無線CSMA/CA、令牌環(huán)和輪詢協(xié)議.殷樹剛等研究發(fā)現(xiàn)，CSMA/CD協(xié)議雖已成熟地應用于用戶的用電信息上報，但是無法完全避免節(jié)點并發(fā)數(shù)據(jù)沖突[2].余建波等[3]和劉雯靜等[4]使用CSMA/CA協(xié)議重點解決了電力線節(jié)點并發(fā)數(shù)據(jù)沖突和網絡吞吐量小的問題，但所用算法實現(xiàn)復雜.Gershon R等較早地將令牌環(huán)協(xié)議應用于電力線組網中，但在電力線干擾環(huán)境中令牌容易丟失，重組代價高[5].輪詢協(xié)議抗干擾和抗網絡終端失效的能力強，沒有地址競爭沖突，不足之處是隨終端數(shù)量的增多，傳輸時延會增加[6].本文設計的電力線載波輪詢通信方案由于應用于信息采集場合，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蟾?，對實時性要求并不苛刻，且從機節(jié)點較少，因此其MAC層采用輪詢仲裁協(xié)議可保證輪詢可靠性，降低實現(xiàn)的復雜度，滿足通信的要求.

電力線載波通信和傳統(tǒng)通信相比存在巨大差異，其線路阻抗、噪聲、衰落以及多徑時延等都會嚴重影響電力線載波信道的性能和通信質量[7].因此，已廣泛應用于專用有線網和無線網的MAC層協(xié)議不能直接用于電力線網絡，必須相應改進后才能適用于信道惡劣的電力線上.對輪詢系統(tǒng)改進的研究主要有以下方面：趙東風等[8]和Boon M A A等[9]對多級門限服務進行輪詢系統(tǒng)建模分析，得到了排隊長、平均循環(huán)周期、平均等待時延，使輪詢控制更有效；Liu Q L等引入優(yōu)先級輪詢策略，對節(jié)點分級后讓普通節(jié)點分配低優(yōu)先級，從優(yōu)先級角度增強了通信可靠性[10]；何敏等提出可休眠的輪詢服務策略，降低能耗的同時兼顧了系統(tǒng)性能[11].文獻中從數(shù)據(jù)重傳補發(fā)角度來增強系統(tǒng)可靠性和提升通信服務質量(Quality of Service,QoS)的研究很少.

本文首先介紹應用于MES條碼信息采集的改進輪詢方案，對網絡層增加的機制和物理層使用的技術進行說明；其次敘述本方案主要的改進點，并通過實驗發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)輪詢方案運用在電力線上存在的丟包等問題；之后詳細介紹重傳、幀序號等機制的實現(xiàn)，自行設計網絡層通訊協(xié)議幀格式，組建16點電力線通信網絡；最后通過實驗引入生產線中常見的電機等噪聲干擾，統(tǒng)計丟包率，對改進輪詢方案與傳統(tǒng)輪詢方案進行比較.

1 輪詢方案的改進

本文從網絡層和物理層兩方面對傳統(tǒng)輪詢方案進行改進，實現(xiàn)寬帶電力線載波可靠輪詢通信.其中網絡層是改進輪詢方案的重點.

在網絡層引入TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)網絡的狀態(tài)位、幀序號、超時重傳、掉線重連、緊急幀等一系列概念，從機制上改進傳統(tǒng)的輪詢通信方式.物理層使用寬帶類載波CR600芯片，其峰值速率最大為200 Mbps，載波頻段被擴展為2～28 MHz,避開了電網干擾噪聲集中的1 MHz頻段[12]，同時使用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術，使通信的抗干擾能力更強.

對比傳統(tǒng)輪詢方案，改進方案的主要優(yōu)點如下：①物理層無需專用通信線路；②從機一個節(jié)點發(fā)生故障時，整個總線不會癱瘓；③網絡層使用多種保障通信機制，改進了基本輪詢應答協(xié)議；④寬帶載波方式通信的速率較高.

改進方案在工業(yè)環(huán)境信道惡劣的電力線上完成了16點高速可靠輪詢通信.該通信網絡的物理拓撲如圖1所示.主機和從機通過220 V電力線相連，共有16個從機模塊，主機將從機采集的條碼數(shù)據(jù)匯集后輸入服務器.

圖1 通信網絡拓撲

2 可靠的通信保障機制

盡管在物理層已經使用OFDM技術來提升抗干擾性，但是并不能保證數(shù)據(jù)的完全可靠傳輸.傳統(tǒng)的輪詢應答協(xié)議應用在電力線載波通信的實際工作中，存在以下幾種典型問題：①從機因故障掉線時，主機因未收到應答幀會重復詢問當前從機；②重傳導致從機發(fā)送的數(shù)據(jù)在主機中排列錯位，沒有排序；③從機的空應答幀重發(fā)狀態(tài)與有數(shù)據(jù)應答幀重發(fā)狀態(tài)重疊，造成主機接收丟幀；④當從機出現(xiàn)緊急狀況需要及時響應時，沒有緊急處理機制.

為解決這些問題，改進方案對電力線網絡QoS進行研究，加入重傳、幀序號等通信保障機制，以實現(xiàn)可靠高速的電力線載波通信.

2.1 通信幀協(xié)議

通信幀協(xié)議格式以網絡層所包含的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議攜帶的功能標識碼為基礎，由主從機地址、幀命令碼、輪詢狀態(tài)碼、幀序號、數(shù)據(jù)區(qū)長度、數(shù)據(jù)區(qū)、CRC(Cyclic Redundancy Check)碼組成(圖2).

圖2 通信幀協(xié)議格式

(1)主/從機地址 (Host/Slave Address).它表明數(shù)據(jù)的源地址和到達的從機地址.電力線屬于共享信道，總線上每幀都能被各節(jié)點偵聽到.當?shù)刂窞?xFF時定義為廣播幀，主機地址和從機地址各占一個字節(jié).

(2)幀命令碼 (Command).通信中需要傳輸不同的幀類型，分為數(shù)據(jù)幀、命令幀、無數(shù)據(jù)應答幀、數(shù)據(jù)接收完成應答幀、緊急幀等.傳輸?shù)膸愋陀蓭畲a給出，占用一個字節(jié).

(3)輪詢狀態(tài)碼 (Polling State).輪詢狀態(tài)碼指上次輪詢中主機接收從機數(shù)據(jù)的正確與否，它占用一個字節(jié).

(4)幀序號 (Sequence Number).每個數(shù)據(jù)包都分配了唯一的序列號，用以標識包，不但能避免重復，還能保證數(shù)據(jù)的順序.此次發(fā)送和接收成功后，下個數(shù)據(jù)包為剛發(fā)送的數(shù)據(jù)序號加1，序號在0～255內循環(huán).幀序號占用一個字節(jié).

(5)數(shù)據(jù)區(qū)長度 (Data Length).在通信幀協(xié)議中，一幀數(shù)據(jù)區(qū)最大傳輸1 450個字節(jié).數(shù)據(jù)區(qū)長度值占用2個字節(jié).

(6)循環(huán)冗余校驗(CRC).通過它對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行高質量檢錯，以保證數(shù)據(jù)的正確性.CRC計算采用快速查表法，占用2個字節(jié).

2.2 輪詢狀態(tài)位

主機詢問幀的輪詢狀態(tài)位用來標明上次主機接收從機的數(shù)據(jù)正確與否.無論從機是否應答，主機都會在下一時間點開始時詢問下一個從機，以解決主機未收到從機應答而重復詢問的問題.主機開始詢問從機到從機數(shù)據(jù)返回主機耗時為4～6 ms，加上數(shù)據(jù)處理時間，主機輪詢每個從機間隔設定在10 ms.主機如果在限定時間內接收到從機A的應答幀，則將狀態(tài)碼 .state置為0x01，主機在下次詢問A時，若詢問幀攜帶此狀態(tài)碼，則說明主機上次接收是成功的.如果主機等待超時而未收到從機應答，狀態(tài)碼置0x00，則說明主機未接收成功，從機重發(fā)緩沖區(qū)中上次發(fā)送的數(shù)據(jù).主機輪詢狀態(tài)流程如圖3所示.

圖3 主機輪詢狀態(tài)流程

2.3 超時重傳

主機按照一個從機點分配10 ms的速度進行輪詢.主從機之間的傳輸幀由于信道干擾會出現(xiàn)丟失的情況.主機每次發(fā)送數(shù)據(jù)幀都要啟動定時器開始計時，設置一個單位為毫秒的定時器，復用成對應最多容納64個從機數(shù)據(jù)的等待計時器Slave_time.當主機詢問幀發(fā)出時，定時器開始計時，超過設定時間Limit_time未收到應答時判斷為超時.超時設定可根據(jù)網絡負載、信道干擾的具體情況進行.輪詢狀態(tài)Slave_state為0，說明未收到應答，繼續(xù)計時.如果主機成功收到從機應答,Slave state則置1，對應的從機定時器停止計時.超時重傳的部分代碼如下：

void user_TIMER_IRQHandler( )

{ /* 判斷定時器標志是否置位 */

if ( TIM_GetITStatus( TIM3 ) == SET ){

/* Slave_counts為從機數(shù)量 */

for( j = 0;j < Slave_counts; j++ ){

/* 遍歷每個從機定時器 */

if( Slave_state[j] == 0 ){

/* 無應答狀態(tài)計時 */

Slave_time[j] ++;

}

}

}

}

主機通過比較Slave_time與Limit_time來判斷接收是否超時.如果超時，則輪詢狀態(tài)置0，表示此從機在下次輪詢需重傳數(shù)據(jù).超時設定的部分代碼如下：

/* 判斷是否超過限定時間 */

if ( Slave_time[j] > Limit_time ){

Slave_state[j] = 0;

}

else Slave_state[j] = 1;

2.4 幀序號和隊列緩存

物理層加入載波中繼和重傳機制后，數(shù)據(jù)包到達主機端存在重復接收數(shù)據(jù)和亂序問題.可加入幀序號來解決這一問題，主機只接受期望得到的數(shù)據(jù)，特別是對從機到達數(shù)據(jù)有順序要求時，通過判斷幀序號進行排序存儲，能夠保證數(shù)據(jù)的有序性.主機詢問幀狀態(tài)位 .state為1，說明從機上次發(fā)送給主機的數(shù)據(jù)被成功接收，從機將幀序號自動加1并與新讀出的數(shù)據(jù)組成應答幀發(fā)送給主機，如果 .state為0則序號不變，和上次發(fā)送的數(shù)據(jù)組成應答幀重發(fā).應答幀序號如圖4所示.

圖4 應答幀序號示意圖

采用輪詢機制時，正常輪詢從機所有點的周期為16×10 ms，每10 ms至多傳輸1 450個字節(jié)，網絡理論帶寬在1.1 Mbps左右.該輪詢速度對于當前方案完全可以滿足要求.但是，考慮到從機可能瞬時接收大量數(shù)據(jù)的情況，對從機建立了16個隊列來緩存數(shù)據(jù).當判斷上次傳輸成功時讀出隊列中下個數(shù)據(jù)單元，否則重發(fā)上次數(shù)據(jù).CR600的Flash存儲容量達1 MB，能夠充分容納緩存條碼數(shù)據(jù).從機重發(fā)分為重發(fā)空數(shù)據(jù)應答幀和重發(fā)數(shù)據(jù)幀.對于幀丟失導致本應該重發(fā)數(shù)據(jù)應答幀卻重發(fā)了空數(shù)據(jù)幀的問題，從機需要每次發(fā)送完成后記住所發(fā)送的幀類別，收到詢問幀時進行準確判斷并重發(fā).從機接收詢問幀的處理流程如圖5所示.

圖5 從機接收詢問幀的處理流程

2.5 緊急幀

當隊列接近滿位或從機因發(fā)生故障需要及時處理時，從機發(fā)出緊急幀命令，請求主機及時詢問處理.主機輪詢一個從機點分配的是10 ms，在信道正常的情況下傳輸時延為4～6 ms(實測).因此，輪詢空隙是允許緊急幀傳輸?shù)?從機有緊急請求時會通過當前總線中主機詢問幀的幀命令碼最高位是否為1，判斷當前是否有別的緊急幀占用，如果沒有則發(fā)出請求，否則繼續(xù)等待下個輪詢節(jié)點的輪詢空隙.輪詢空隙的時間占用情況如圖6所示.主機接收完成后立刻在下個輪詢間隔詢問發(fā)出緊急命令的從機.

圖6 輪詢空隙的時間占用情況

為了避免多個緊急幀造成的輪詢網絡擁塞，改進方案在一個輪詢周期內只允許5個緊急幀.這在一定程度上提高了輪詢響應的及時性.

2.6 CRC校驗

改進方案采用廣泛使用的CRC16算法，對協(xié)議幀校驗碼區(qū)之前所有字節(jié)進行校驗.將CRC表值存儲于Flash中，采用快速查表法加快校驗速度.主機詢問幀和從機應答幀都在校驗通過的情況下讀取和發(fā)送.

3 實驗及結果分析

3.1 實驗環(huán)境

用電力線上1臺主機和16臺從機組成網絡.其工作設備中，850 W三相電機、鎮(zhèn)流器、600 W伺服電機等對電力線通信會產生較強干擾.實驗所用電力線網絡設備組成如圖7所示.電力線處于一個電能計量表范圍內，每個從機連接若干個霍尼韋爾3310g型串口條碼采集槍，以便將條碼數(shù)據(jù)發(fā)送給主機.

圖7 實驗用電力線網絡設備組成

3.2 實驗過程

實驗測量了在電力線信道不同信噪比下，基本輪詢和改進輪詢兩種傳輸模式的丟包率，首先通過PLC Tool Manager工具測量不同時刻的物理層信噪比，并逐步將干擾設備啟動后接入電網，使電力線信道的信噪比逐漸降低(代表當前電力線信道環(huán)境變差)；然后進行16個點的整網絡測試，在不同信噪比環(huán)境下，從機把每幀128個字節(jié)的條碼數(shù)據(jù)打包發(fā)送至主機，統(tǒng)計從機的發(fā)送包總量與主機的接收包總量之差，通過該差值與發(fā)送總量的比得出丟包率.兩種方案(基本輪詢和改進輪詢)在相同環(huán)境下丟包率比較測試結果如圖8所示.

圖8 兩種方案丟包率比較測試的結果

3.3 結果分析

電力線上噪聲是影響通信質量的主要因素.它具有脈沖性、連續(xù)性和隨機性，是各種干擾設備產生的噪聲疊加.圖8所示，在信噪比為60 dB，信道環(huán)境優(yōu)良時，基本輪詢與改進輪詢的丟包率相差很小，兩種方案的性能接近；隨著信噪比降低，噪聲對電力線通信的質量產生了較大的影響，基本輪詢不具有數(shù)據(jù)重傳機制，導致電力線通信的丟包率增大，在信噪比為15 dB時，丟包率達到了5.2%，而改進輪詢方案的丟包率略微升高，為0.08%.這是因為改進輪詢加入了通訊保障機制，丟包率被控制在較低的水平，通信質量得到了改善.

信噪比較低時，由于噪聲干擾會啟動重傳機制，一個數(shù)據(jù)包某些時刻會經過多個輪詢周期才能傳輸完成，帶來的時延相應增加，因此改進方案較適用于非實時性信息的采集場合.

4 結束語

(1)本文提出了具有重傳、幀序號等機制的改進輪詢方案，在信道環(huán)境惡劣的電力線上進行了實驗驗證.結果表明，該方案改進通信質量效果明顯，可以實現(xiàn)在數(shù)據(jù)實時性要求不敏感場合的信息可靠傳輸.

(2)該方案已應用于泰州樂葉光伏科技有限公司MES智能制造信息采集系統(tǒng)，為現(xiàn)場布線困難的生產過程信息的可靠傳輸提供了保障，也可為基于電力線載波的信息采集應用提供參考.

(3)下階段，計劃引入快速信令重傳機制，使輪詢通信更加可靠，實現(xiàn)更好的QoS保障.

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