1 Pengenalan
Pengawal mikro semakin digunakan dalam peranti kawalan automatik, sistem perlindungan bersepadu-berasaskan mikropemproses untuk grid kuasa dan medan kawalan automasi industri yang lain, dengan kerumitan peranti ini berkembang dengan mantap. Untuk menangani permintaan-masa sebenar, berbilang-tugasan bagi sasaran pembangunan, model pembangun-CPU tunggal-tunggal sedang digantikan dengan pendekatan kolaboratif yang melibatkan berbilang CPU pelbagai jenis dan berbilang pembangun. Paradigma pembangunan baharu ini memperkenalkan cabaran kritikal: menyeragamkan perkakasan dan perisian untuk pertukaran maklumat antara CPU semasa pelaksanaan. Penyeragaman ini adalah penting kepada kejayaan penggunaan model baharu ini. Di antara pelbagai kaedah komunikasi, protokol komunikasi bersiri RS-485 berasaskan UART-diguna pakai secara meluas kerana pendawaiannya yang mudah, kebolehpercayaan yang tinggi dan keupayaan untuk menyokong berbilang CPU. Mengenai protokol komunikasi perisian, protokol Modbus menawarkan kelebihan yang ketara kepada pengguna kerana sifat universalnya dan perisian penyahpepijatan yang matang. Oleh itu, semasa pembangunan peranti perlindungan komprehensif motor baharu, kaedah komunikasi bersiri RS-485 dan protokol komunikasi Modbus telah diterima pakai untuk mencapai data dan mengawal pertukaran maklumat arahan antara berbilang CPU. Untuk meningkatkan kecekapan dan penyelarasan komunikasi bersiri, penulis melaksanakan pelbagai langkah dalam seni bina perkakasan dan perisian mekanisme komunikasi, mencapai keputusan yang cemerlang. Semasa fasa penyahpepijatan komunikasi sistem, kaedah telah digunakan di mana setiap modul CPU mula-mula berkomunikasi dengan perisian ujian Modbus standard sebelum menjalani penyahpepijatan saling sambungan bersama, meningkatkan kecekapan pembangunan kolaboratif dengan ketara. Amalan telah membuktikan bahawa falsafah reka bentuk ini memudahkan struktur sistem sambil meningkatkan kecekapan dan kebolehpercayaan operasi peranti.
2 Ciri-ciri Peranti Perlindungan Komprehensif Motor
Di luar fungsi perlindungan yang komprehensif, peranti perlindungan motor menyepadukan keupayaan pengukuran, telekawalan dan komunikasi. Skrin besar-paparan LCD aksara Cinanya membolehkan antara muka-mesra pengguna. Menggunakan komunikasi bas CAN dengan hos pemantauan, ia membentuk subsistem dalam hierarki, sistem automasi pencawang teragih. Untuk mengoptimumkan kefungsian sistem bagi keperluan berbilang-tugasannya, seni bina CPU berbilang-diguna pakai. Satu CPU mengendalikan pensampelan dan penghantaran nadi berkala; modul CPU utama menguruskan pemprosesan data, pengiraan parameter elektrik, diagnosis kerosakan dan operasi pensuisan; manakala CPU modul papan menyelia-interaksi mesin manusia dan memudahkan komunikasi dengan modul perlindungan utama dan hos pemantauan. Setiap modul CPU mempunyai tugas yang ditakrifkan dengan jelas, memudahkan pembangunan kolaboratif oleh berbilang jurutera semasa pelaksanaan. Komunikasi bersiri memautkan CPU utama dan CPU panel, mendayakan{11}}interaksi mesin manusia dan dengan itu menduduki kedudukan kritikal. Mewujudkan mekanisme komunikasi yang rasional adalah teras bahagian komunikasi bersiri, menentukan penyelarasan komunikasi dan kecekapan penyahpepijatan semasa peringkat pembangunan sistem kemudiannya.
3 Pengenalan kepada Mekanisme Komunikasi
3.1 Reka Bentuk Perkakasan Mekanisme Komunikasi
Mekanisme komunikasi yang dicadangkan untuk sistem ini bertujuan untuk kecekapan dan kebolehpercayaan yang tinggi. RS-485 menggunakan struktur separuh-dupleks, yang selalunya lebih praktikal daripada dupleks penuh dalam aplikasi medan. Di sini, sambungan dipermudahkan menggunakan hanya dua talian isyarat diterima pakai. Gambar rajah litar antara muka sistem ditunjukkan dalam Rajah 1. Tahap logik TTL yang dikeluarkan oleh mikropengawal 8051 pada modul perlindungan utama diasingkan secara optikal, kemudian ditukar kepada tahap RS-495 oleh cip MAX485. Selepas itu, cip MAX485 pada modul panel menukarkannya kembali kepada tahap logik TTL untuk dibaca oleh mikropengawal 8031. Pada bahagian mikropengawal 8051, pin P2.7 port I/O selari 2 mengawal input MAX membolehkan pin RE dan output membolehkan pin DE. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, apabila P2.7 mengeluarkan tahap tinggi, RE didayakan, membenarkan bahagian mikropengawal menerima data. Apabila P2.7 mengeluarkan tahap rendah, DE didayakan, membenarkan bahagian mikropengawal menghantar data. Pendekatan ini menghalang kehilangan data akibat pertindihan yang disebabkan oleh penghantaran buta, memastikan kualiti komunikasi yang tinggi dan kelajuan penghantaran yang boleh dipercayai.
3.2 Protokol Komunikasi
Untuk memastikan penghantaran data yang tepat antara dua modul dalam peranti perlindungan, satu set spesifikasi yang mengawal pemindahan maklumat-termasuk mod penghantaran, format data dan kandungan-adalah penting. Ini membentuk protokol atau protokol komunikasi. Tanpa perisian penyahpepijatan matang yang sedia tersedia, modul CPU utama pada asasnya berfungsi sebagai kotak hitam, membawa kepada banyak dan sukar-untuk-mengatasi cabaran semasa ujian penyepaduan sistem. Oleh itu, protokol komunikasi Modbus yang diterima pakai secara meluas telah dipilih dan dipermudahkan agar sesuai dengan keperluan khusus peranti, membolehkan komunikasi antara-modul yang berjaya dengan keberkesanan yang terbukti. Modbus menggunakan model komunikasi-induk. Tuan pertama menghantar arahan permintaan komunikasi kepada hamba. Hamba kemudian bertindak balas kepada tuan dengan data berdasarkan kod fungsi dalam arahan permintaan. Setiap hamba mempunyai alamat yang unik. Kedua-dua bingkai permintaan yang dihantar oleh tuan dan bingkai respons yang dihantar oleh hamba bermula dengan alamat hamba. Hamba hanya membaca arahan yang ditujukan kepada diri mereka sendiri dan mengabaikan mesej bermula dengan alamat hamba yang lain. Kefungsian ini dilaksanakan menggunakan Mod 2 atau Mod 3 port bersiri 8051. Model komunikasi-dan{20}}jawaban ini meningkatkan ketepatan komunikasi dengan ketara. Mod penghantaran RTU Modbus digunakan dalam peranti ini.
4 Langkah untuk Meningkatkan Kebolehpercayaan Komunikasi
Dua bait terakhir mesej Modbus berfungsi sebagai bait semak. Komunikasi RTU menggunakan pemeriksaan redundansi kitaran CRC-16 untuk pengesanan ralat. Mekanisme pengekodan/penyahkodannya agak mudah dengan kadar ralat yang rendah, boleh dicapai melalui kaedah pengiraan atau pengaturcaraan. Beberapa pendekatan digariskan di bawah:
4.1 Algoritma Asas (Pengiraan Manual)
Menggunakan CRC16-CCITT sebagai contoh: CRC checksum ialah 16 bit, dan polinomial penjanaan ialah 17 bit. Katakan aliran data ialah 4 bait: BYTE, BYTE, BYTE, BYTE[0];
Alihkan aliran data ke kiri sebanyak 16 bit, kembangkannya dengan berkesan dengan faktor 256×256. Kemudian lakukan pembahagian oleh polinomial penjana 0x11021 menggunakan bahagian bukan-meminjam (bersamaan dengan XOR bitwise). Baki yang terhasil ialah jumlah semak CRC. Strim data yang dihantar terdiri daripada 6 bait: BYTE, BYTE, BYTE, BYTE[0], CRC, CRC[0].
4.2 Algoritma Komputer 1 (Algoritma Jenis-Bit)
1) Letakkan 16 bit atas (BYTE, BYTE) aliran data yang dikembangkan (6 bait) ke dalam daftar 16-bit;
2) Jika bit paling ketara dalam daftar ialah 1, alihkan daftar ke kiri dengan satu bit (mendapatkan bit paling kurang ketara daripada bait seterusnya), kemudian lakukan operasi XOR dengan bentuk polinomial penjana yang dipermudahkan; jika tidak, hanya alihkan daftar ke kiri sebanyak satu bit (mendapatkan bit paling tidak ketara daripada bait seterusnya);
3) Ulang langkah 2 sehingga keseluruhan aliran data (6 bait) dialihkan ke dalam daftar;
4) Nilai dalam daftar ialah CRC checksum CRC, CRC[0].
4.3 Algoritma Komputer 2 (Algoritma Jenis-Bait) (256^n menandakan 256 dinaikkan kepada kuasa n)
Wakilkan bait-strim data tersusun sebagai polinomial matematik. Biarkan aliran data menjadi BYTE[n] BYTE[n-1] BYTE[n-2] ... BYTE[0] diwakili sebagai ungkapan matematik
BYTE[n] × 256^n + BYTE[n-1] × 256^(n-1) + ... + BYTE × 256 + BYTE[0], dengan "+" menandakan operasi XOR. Biarkan polinomial penjana ialah G17 (17-bit), maka kod CRC ialah CRC16.
CRC16=(BYTE[n] × 256^n + BYTE[n-1] × 256^(n-1) + ... + BYTE × 256 + BYTE[0]) × 256^2 / G17
Ini melibatkan peralihan aliran data yang ditinggalkan sebanyak 16 bit dan kemudian dibahagikan dengan polinomial penjana G17.
Terbitan menunjukkan bahawa kod semakan CRC untuk BYTE[n-1] menyamai hasil XOR bagi 8 bit atas kod semakan CRC bait sebelumnya Y[n] (YH8[n]) dan bait semasa BYTE[n-1].
Algoritma jenis-bait adalah seperti berikut:
1) Mulakan kumpulan daftar CRC kepada semua "0" (0x0000).
2) Alihkan kumpulan daftar CRC 8 bit ke kiri dan simpan dalam kumpulan daftar CRC.
3) Lakukan operasi XOR antara 8 bit tinggi kumpulan daftar CRC asal (dialihkan 8 bit ke kanan) dan bait data untuk mendapatkan indeks yang menunjuk ke jadual nilai.
4) Lakukan operasi XOR antara nilai jadual yang ditunjukkan oleh indeks dan kumpulan daftar CRC.
5) Naikkan penunjuk data. Jika pemprosesan data tidak lengkap, ulangi langkah 2).
6) Dapatkan CRC.
5 Langkah untuk Meningkatkan Kecekapan Komunikasi
5.1 Komunikasi Berasingan Terima dan Hantar Tugas
Pengawal mikro 8051 boleh menghantar dan menerima data melalui port bersiri menggunakan gangguan. Pengawal port bersiri SCON menyokong pengalamatan dan pengalamatan bit. Apabila permintaan gangguan port bersiri berlaku, dua bit SCON yang lebih rendah menyelak gangguan penghantaran dan menerima. Apabila CPU menulis data atau aksara ke subf pemancar port bersiri (arahan: MOV SUBF, A) pemancar mula menghantar. Selepas melengkapkan satu bingkai data, perkakasan menetapkan bendera TI kepada "1", menunjukkan port bersiri meminta gangguan daripada CPU untuk menghantar bingkai data seterusnya. Begitu juga, jika penerima port bersiri didayakan untuk penerimaan, apabila menerima bingkai data, bendera RI ditetapkan kepada 1, menunjukkan bahawa port bersiri meminta gangguan daripada CPU untuk membaca data daripada penimbal data terima.
5.2 Mengurangkan Tempoh Gangguan
Memandangkan pelbagai gangguan digunakan dalam reka bentuk seni bina perisian, untuk memastikan operasi program yang boleh dipercayai dan meminimumkan kebarangkalian konflik antara tugas yang berbeza, pelaksanaan perisian harus berusaha untuk menyelaraskan tugas pelbagai gangguan dan memendekkan masa pelaksanaannya. Dalam subrutin gangguan komunikasi, laksanakan tugas penting semasa memasukkan sampukan, seperti: mengosongkan bit status yang sepadan dalam daftar kawalan port bersiri, membaca aksara yang diterima atau menulis aksara untuk dihantar dari/ke penimbal, menambah kiraan aksara yang diterima atau dihantar, dsb. Kemudian keluar dari gangguan dengan serta-merta. Tugas lain, seperti mengesahkan bingkai, bertindak balas kepada arahan bingkai yang diterima (telemetri/telekomando), dan menyediakan bingkai penghantaran, harus dikendalikan dalam program utama.
5.3 Pengesanan Penamatan Bingkai yang Cekap untuk Mencegah Genangan Komunikasi
Menggunakan pemasa perisian khusus untuk mengesan penghujung bingkai yang diterima menghalang tugas komunikasi daripada berlarutan jika bingkai diterima tidak lengkap, dengan itu memastikan penerimaan tepat pada masanya bingkai berikutnya. Memandangkan selang masa antara bait dalam bingkai adalah lebih pendek daripada selang bingkai-ke-bingkai, pemasa perisian dimulakan setiap kali bait baharu diterima. Pemasa ditetapkan kepada bingkai minimum-ke-selang bingkai. Selang ini berbeza dengan kadar baud yang berbeza. Jika bait seterusnya diterima sebelum masa pratetap berlalu, ia menunjukkan bingkai tidak lengkap dan pemasa dimulakan semula. Jika pemasa berjaya mengira detik ke masa pratetap, ia mencetuskan nombor gangguan yang sepadan. Dalam subrutin gangguan pemasa, bait bendera hujung bingkai ditetapkan, menandakan penerimaan bingkai selesai. Selepas program induk mengesan penyiapan penerimaan bingkai, ia mengesahkan integriti bingkai dengan mengesahkan alamat hamba dan bait semakan redundansi kitaran (CRC). Jika disahkan sebagai bingkai yang sah ditujukan untuk induk, ia memproses arahan bingkai berdasarkan kod fungsinya dan bersedia untuk menghantar bingkai. Apabila hamba menerima mesej yang salah, ia menghantar semula bingkai ralat. Jika mesej yang diterima mempunyai CRC yang salah, hamba boleh memilih untuk tidak membalas. Jika tuan tidak menerima respons daripada hamba dalam masa yang ditentukan, ia akan menghantar semula mesej permintaan. Jika beberapa penghantaran semula gagal menerima respons daripada hamba, kegagalan komunikasi dilaporkan.
5.4 Menentukan Kepantasan Komunikasi
Memandangkan semua peranti berada dalam casis yang sama, jarak antara modul adalah minimum. Modbus beroperasi pada RS485 untuk komunikasi jarak-jauh, menghapuskan keperluan untuk mempertimbangkan kesan jarak pada kadar baud. Tambahan pula, mod komunikasi-induk menghalang kesesakan talian. Oleh itu, dari perspektif kecekapan komunikasi, selagi kadar baud yang ditetapkan tidak melebihi had kadar baud maksimum cip yang digunakan dalam modul, kadar baud yang lebih tinggi menghasilkan pertukaran maklumat yang lebih pantas dan kecekapan komunikasi yang lebih tinggi. Menetapkan kadar baud agar betul-betul sama untuk kedua-dua pihak komunikasi memastikan bahawa hujung penerima mengambil sampel setiap bit data pada titik tengah kitaran bit, dengan itu mencapai komunikasi yang boleh dipercayai.
5.5 Kaedah Nyahpepijat Munasabah
Semasa penyahpepijatan, uji komunikasi pertama antara setiap modul CPU dan mikrokomputer melalui modul penukaran data RS485/RS232. Selepas ujian individu berjaya, teruskan ke penyahpepijatan antara-modul, dengan ketara meningkatkan kecekapan penyahpepijatan keseluruhan. Semasa modul-ke-penyahpepijatan komunikasi komputer, komputer menggunakan perisian penyahpepijatan Modbus untuk mensimulasikan proses komunikasi tuan, meminta maklumat secara aktif daripada hamba. Ini menjadikan keseluruhan proses penerimaan dan penghantaran telus dan jelas, membolehkan penyelesaian isu modul tepat pada masanya. Semasa penyahpepijatan bersama, perisian pemantauan bas memerhati data dari kedua-dua pihak untuk mengenal pasti dan menyelesaikan masalah dengan segera.
6 Perkara Inovasi Kertas Ini
Pertama, kertas kerja ini mengguna pakai Modbus, piawaian industri sejagat, dalam peranti perlindungan. Perisian alat yang diperlukan boleh didapati terus dari laman web yang berkaitan tanpa menanggung kos harta intelek. Kedua, peranti perlindungan melaksanakan multitasking dan menggunakan protokol Modbus untuk mencipta mekanisme penyahpepijatan bersama yang munasabah antara modul CPU, meningkatkan kecekapan pembangunan sistem kerjasama.