基于Modbus的EPS應急電源監控系統的研究

　　1 引 言

　　隨著(zhù)環(huán)保和消防要求的提高，柴油發(fā)電機逐漸失去優(yōu)勢，而由于逆變技術(shù)的成熟發(fā)展，新型無(wú)公害、高可靠性、動(dòng)力型的大型應急電源EPS(Emergency Power Supply)逐步成為代替柴油發(fā)電機組的“綠色電源”，目前已經(jīng)在建筑領(lǐng)域得到大面積推廣。同時(shí)，隨著(zhù)微處理器、計算機和數字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機控制已經(jīng)擴展到了幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。將所有的功能集成于統一開(kāi)放的平臺上，通過(guò)人機界面可以使復雜的控制和數據處理變得更加簡(jiǎn)單。

　　2 監控系統設計

　　美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )(EIA)制定的RS 485標準作為一種多點(diǎn)差分數據傳輸的電氣規范，現已成為業(yè)界應用最為廣泛的標準通信接口之一。這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對雙絞線(xiàn)上進(jìn)行多點(diǎn)、雙向通信。平衡發(fā)送、平衡接收，具有傳輸距離遠、通信速率高、抗干擾能力強、軟硬件支持豐富與現場(chǎng)儀表接口簡(jiǎn)單、易于實(shí)現和擴展等特點(diǎn)。接口總線(xiàn)上可連接32個(gè)設備，加中繼器后最多可達255個(gè)設備。因此，許多領(lǐng)域都采用RS 485作為數據傳輸鏈路，例如汽車(chē)電子、電信設備、局域網(wǎng)、蜂窩基站、工業(yè)控制儀器儀表等。本系統采用一臺PC作為上位機，下位機由若干臺P89C51單片機擔任，監控系統結構圖如圖1所示。

　　上位機的RS 232串行口通過(guò)RS 232/RS 485轉換器轉換為RS 485總線(xiàn)，各下位機通過(guò)MAX485芯片連接到總線(xiàn)上。各個(gè)下位機設有自己惟一的地址，且下位機之間不能通信，一切通信受上位機控制。開(kāi)始時(shí)，所有下位機都處于監聽(tīng)狀態(tài)，等待上位機發(fā)出指令。當上位機發(fā)出指令時(shí)，所有下位機都接收并且將其中的地址幀與自己的地址比較，如果相同則繼續接收后面的指令或數據，若不同則不予理睬。

　　3 通信協(xié)議Modbus

　　Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )和其他設備之間可以通信。他已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備利用其可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行集中監控。

　　Modbus協(xié)議定義了消息域格式和內容的公共格式，如表1和表2所示，使控制器能認識和使用消息結構，而無(wú)需考慮通信網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。他描述了一個(gè)控制器訪(fǎng)問(wèn)其他設備的過(guò)程，當采用Modbus協(xié)議通信時(shí)，此協(xié)議規定每個(gè)控制器需要知道自己的設備地址，識別按地址發(fā)來(lái)的消息，如何響應來(lái)自其他設備的請求，如何偵測錯誤并記錄。

　　系統通信采用主從技術(shù)，即只有主設備能發(fā)出查詢(xún)，從設備響應消息。主設備可單獨和從設備通信，從設備返回一個(gè)消息。如果采用廣播方式(地址為零)查詢(xún)，從設備不作任何回應。

　　Modbus協(xié)議有兩種模式：ASCII和RTU模式。一個(gè)Modbus通信系統中只能選擇一種模式，不允許兩種模式混合使用。本系統采用RTU模式，消息的起始位以至少3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓開(kāi)始(一般采用4個(gè))，在傳輸完最后一個(gè)字符后，有一個(gè)至少3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓來(lái)標識結束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。在接收期間，如果等待接收下一個(gè)字符的時(shí)間超過(guò)1.5個(gè)字符傳輸時(shí)間，則認為是下一個(gè)消息的開(kāi)始。校驗碼采用CRC16方式，只對設備地址、功能代碼和數據段進(jìn)行。整個(gè)消息幀必須作為一連續的流傳輸，傳輸速率較ASCII模式高。

　　Modbus可能的從設備地址是0～247(十進(jìn)制)，單個(gè)設備的地址范圍是1～247?？赡艿墓δ艽a范圍是十進(jìn)制的1～255。其中有些代碼適用于所有的控制器，有些是針對某種Modicon控制器，有些是為用戶(hù)保留或備用。

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　　4 軟件設計

　　本系統上位機軟件采用VC 6.0開(kāi)發(fā)，操作系統為Windows 98，上位機向串口讀寫(xiě)數據，通過(guò)485總線(xiàn)將控制信息送到現場(chǎng)的每臺EPS設備，就可以監控網(wǎng)絡(luò )上任何一臺EPS設備，同時(shí)現場(chǎng)采集到的電壓、電流等信號實(shí)時(shí)顯示在上位機的界面上。

　　(1) 人機界面子程序

　　包括實(shí)時(shí)信息動(dòng)態(tài)更新及數字顯示，異常判斷及報警聲音提示。

　　(2) 串口通信子程序

　　在Windows 98中將串行口和文件的操作統一起來(lái)。對他們打開(kāi)、讀、寫(xiě)、關(guān)閉等操作都使用相同的API函數，但是又是有區別的，比如串行口不能像文件一樣被刪除，這些差別體現在A(yíng)PI函數中部分的參數設置上。在VC中設計串行通信程序時(shí)要用到一些通信的API函數，如CreateFile()，CloseHandle()，ReadFile()，WriteFile()，SetupComm()，WaitCommEvent()等。除上述幾個(gè)函數外，還要經(jīng)常用到一個(gè)重要的記錄DCB(設備控制塊)。DCB中記錄有可定義的串行口參數，設置串行口參數時(shí)必須先用GetCommState函數將系統默認值填入DCB控制塊，然后才可把用戶(hù)想改變的自定義值設定。

　　PC機串行通信從調用CreateFile()函數開(kāi)始，接著(zhù)設置串行口波特率、數據位、校驗位、停止位等參數和超時(shí)參數，最后選擇一種工作方式來(lái)讀寫(xiě)串行口。在Windows環(huán)境下，串行通信有4種方式可供選擇：查詢(xún)方式、同步I/O、異步I/O和事件驅動(dòng)方式。這幾種方式各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)：

　?、俨樵?xún)方式比較直接，但要占用大量的CPU時(shí)間;

　?、谕絀/O方式直到讀取指定的字節數或超時(shí)的時(shí)候才返回，這樣很容易長(cháng)時(shí)間地阻塞線(xiàn)程;

　?、郛惒絀/O可以在后臺讀寫(xiě)數據，而在前臺做其他的事情;

　?、苁录寗?dòng)方式是由Windows通知應用程序某些事件什么時(shí)候發(fā)生，然后根據所發(fā)生的事情來(lái)對串口進(jìn)行操作。

　　在監測系統中，由于事件的偶然性和要求傳送的實(shí)時(shí)性，計算機常采用事件驅動(dòng)I/O方式來(lái)進(jìn)行現場(chǎng)監測。事件驅動(dòng)I/O方式是指線(xiàn)程通過(guò)監視通信資源中的一組事件來(lái)進(jìn)行I/O操作，這種方式類(lèi)似于MSDOS下的中斷方式，效率比較高。在實(shí)際項目應用和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，大多用的這種工作方式來(lái)實(shí)現PC機和下位機的通信。

　　上位機部分通信程序的實(shí)現過(guò)程如下：

　　5 系統抗干擾問(wèn)題

　　實(shí)時(shí)監控系統在工業(yè)中的應用越來(lái)越多，由于現場(chǎng)的電氣環(huán)境比較復雜，容易形成各種干擾源，特別是在較惡劣的工業(yè)環(huán)境中，因此研究解決系統抗干擾問(wèn)題對確保系統的穩定運行非常重要。RS 485本身具有較強的抗電磁干擾能力，但實(shí)際應用中仍然會(huì )出現一些問(wèn)題，為此應注意以下幾個(gè)方面：

　　(1)RS 485支持半雙工或全雙工模式網(wǎng)絡(luò )拓撲，一般采用終端匹配的總線(xiàn)型結構，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò )。最好采用一條總線(xiàn)將各個(gè)節點(diǎn)串接起來(lái)，從總線(xiàn)到每個(gè)節點(diǎn)的引出線(xiàn)長(cháng)度應盡量短，以便使引出線(xiàn)中的反射信號對總線(xiàn)信號的影響最低。

　　(2)采用雙絞線(xiàn)作為RS 485傳輸線(xiàn)時(shí)，雖然對電磁感應噪聲有較強的抑制能力，但對靜電感應引起噪聲的抑制能力較差，因此應選用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)，同時(shí)雙絞線(xiàn)的屏蔽層要正確接地。

　　(3)通過(guò)在總線(xiàn)兩端A，B加入匹配電阻的方法，解決信號反射問(wèn)題。

　　(4)對于RS 485網(wǎng)絡(luò )，合理的接地系統對系統的可靠性很重要?；诠材８蓴_和EMI問(wèn)題，選擇集中供電方式，可基本消除各處參考電位不等的情況。

　　(5)在切換大功率感性負載、閃電等過(guò)程中，都會(huì )產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會(huì )損壞接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

　　6 結 語(yǔ)

　　本文提出的主從分布式多機通信系統硬件電路簡(jiǎn)單、控制靈活。用VC語(yǔ)言實(shí)現上位機數據傳送的優(yōu)點(diǎn)是可有效地實(shí)現通信的底層控制。由于RS 485總線(xiàn)通信方式仍屬于串行通信方式，通信速度偏低，若要提高通信速度，還需對控制系統做進(jìn)一步的改進(jìn)。