（交通信息工程及控制专业论文）微机监测通信技术及通信总线分析系统研究.pdf

中文摘要 摘要：本文是基于微机监测系统通信相关技术的研究而展开的。全文主要对微机 监测通信系统、微机监测与自律机通信协议及微机监测通信总线分析系统三部分 进行研究和设计。 本文在l p c 2 2 9 2 嵌入式处理器为核心的硬件平台和p c o s i i 嵌入式操作系 统上设计了一个微机监测通信系统，为智能传感器和站机之间搭建了一个数据通 道，实现m o d b u s 协议和c a n 协议之间的数据交换，并对设计的通信系统的性能 进行了分析。接下来对微机监测通信系统进行了具体应用，在其基础上开发了信 号机回路电流采集机、道岔功率采集机和移频采集机，并进行了实验室和现场的 反复调试。 本文在p c o s i i 操作系统上设计了微机监测与自律机通信协议，详细分析了 通信协议的具体内容，提出了通信协议的具体实现的方案，并编写了相应地程序。 然后将该协议应用于开关量采集机，使开关量采集机实现了将站场信息直接传送 给自律机的功能。最后对开关量采集机进行现场调试，对现场调试中出现的问题 进行了分析和解决。 本文以微机监测系统安装调试中遇到的问题为切入点，从硬件和软件两方面 设计了基于a r m 9 处理器和w i n c e 嵌入式操作系统的微机监测通信总线分析系 统，文中对该系统的构思、设计和调试过程进行了具体介绍。通信总线分析系统 能够实现对c a n 总线和r s 4 8 5 总线上的数据进行读取、初步分析、显示和保存， 同时也能够向这两个总线发送数据。 本文在结论中总结了本论文的主要工作内容，并指出了不足之处和进一步的 工作的方向。 本文中共有图5 6 幅，表1 2 个，参考文献2 7 篇。 关键词：微机监测；m o d b u s ：c a n ；嵌入式系统； 分类号：u 2 8 3 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sp a p e ri sb a s e do nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt ot h e c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m i tm a i n l y m a k e ss o m er e s e a r c ha n dd e s i g no nt h e f o l l o w i n gt h r e ep a r t s ：c o m m u n i c a t i o n s y s t e m o nc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e ma n ds e l f - r e g u l a t i o n s y s t e m ，a n dc o m m u n i c a t i o n b u sa n a l y s i ss y s t e mo ft h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m0 nc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e n d e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nah a r d w a r ep l a t f o r mw i t he m b e d d e dp r o c e s s o rl p c 2 2 9 2 a n dp c o s i ie m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ms e tu pad a t a c h 锄e l 。w h i c ha c h i e v ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h em o d b u sp r o t o c o la n dc a np r o t o c o l ， b e t w e e ns m a r ts e n s o r sa n ds t a t i o ni n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r a n dt h e n ，s o m ea n a l y s i s h a sb e e nd o w na b o u tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m n e x tc o m p u t e rm o n i t o r i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi su s e dt od e s i g nt h r e ek i n d so fc o l l e c t o rp r o g r a m s ：s i g n a l sl o o p c u r r e n tc o l l e c t o rp r o g r a m ，p o w e rs w i t c hc o l l e c t o rp r o g r a ma n df r e q u e n c y - s h i f tc o l l e c t o r p r o g r a m a l lo ft h ep r o g r a m sh a db e e n t e s t e dm a n yt i m e si nt h el a b o r a t o r y , a n dt h e nt h e p r o g r a m sh a v eb e e np u t i n t op r a c t i c ea l r e a d y i nt h i sp a p e r , ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e ma n d s e l f - r e g u l a t i o nd r i v ei sd e s i g n e d ，a n dt h ep r o t o c o l i sb a s e do n t c o s - i io p e r a t i n g s y s t c m as w i t c hc o l l e c t o rw i t ht h i sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s u s e dt oc o l l e c tt r a i n s t a t i o ni n f o r m a t i o na n ds e n tt h ei n f o r m a t i o nt os e l f - r e g u l a t i o nd r i v e a tl a s t ，s o m e a n a l y s i sh a sb e e nd o w n a b o u tt h ed e b u g g i n gp r o c e s so ft h es w i t c hc o l l e c t o r s o m ei d e a sa r et a k e nd u r i n gt h ed a y so fi n s t a l l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n ga b o u t c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dt h e nid e s i g n e da b u sa n a l y s i ss y s t e mf r o mt h ea n g l e o fb c i t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w h i c hi sb a s e do nt h ea r m 9p r o c e s s o ra n dw i n c e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h eb u sa n a l y s i ss y s t e mc a nr e a d ，a n a l y s i s ，d i s p l a ya n d s a v ed a t af o r mc a n & r s 4 8 5b u s ，a n di tc a na l s os e n td a t at ot h eb u s t h ep a p e rc o n c l u d e st h em a i nj o bi nt h el a s tp a r t ，a n di n t r o d u c e st h ei m p r o v e m e n t t o o m si nt h ec o n t i n u e dw o r k k e y w o r d s ：c o m p u t e rm o n i t o r i n g ；m o d b u s ；c a n ；e m b e d d e ds y s t e m ； c l a s s n o ：u 2 8 3 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特， , j j j l l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 飙吁如7 翩虢彩 签字日期2 7 年 致谢 本论文的工作是在我的导师戴胜华副教授的悉心指导下完成的，戴胜华老师 学识渊博，且对学生传授知识毫无保留，正是戴胜华老师严谨的治学态度和科学 的工作方法给了我极大的帮助和影响，使我在专业知识和为人处事上都取得了很 大的进步。在此衷心感谢两年来戴胜华老师对我的关心和指导。 蒋大明副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向蒋大明老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，戴亮、韩鹏飞、吴福刚、边兴田、李翔、王 剑秋、叶敬贤等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，并在学习中共同进 步，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持是我努力的无限动力，使我能够在学校 专心完成我的学业。 1 引言 1 1微机监测系统的研究背景、发展和现状【l 】【2 】 微机监测系统是现代化铁路装备的重要组成部分。它把现代最新技术，如传 感器、现场总线、计算机网络通信、数据库及软件工程等技术，融为一体，监测 并记录信号设备的主要运行状态，为电务部门掌握设备的运用质量和故障分析提 供科学依据。同时，系统还具有数据逻辑判断功能，当信号设备的工作情况偏离 预定界限或出现异常时及时报警，避免因设备故障或违章操作影响列车的安全、 正点运行。 信号微机监测系统是随着计算机技术的发展而发展的，是经过二十多年艰苦探 索发展起来的。 1 9 8 5 年，以当时的计算机技术为支持，部分铁路局开始研制信号微机监测系 统。到1 9 9 6 年，研制单位已达2 0 多家，有1 0 0 多个车站配备了微机监测系统。 这个初期阶段的微机监测系统，由于受技术、经济等方面的限制，技术陈旧，精 度不高，可靠性差；各铁路局自行研制，缺乏统一标准；各站节本独立，很少集 中联网。 随着时间推移和技术进步，信号微机监测技术不断发展。1 9 9 7 年铁道部两次 组织有关专家对信号微机监测系统进行了大规模调查研究，并在此基础上制定技 术原则，组织联合攻关，在近6 个月的努力下研制开发了第一代t j w x 型信号微 机监测系统，并且在五大干线推广使用。2 0 0 0 年铁道部再一次集中2 0 多位技术专 家，在第一代t j w x 型微机监测系统的基础上，综合改进t j w x 型微机监测系统 在使用中发现的问题，开发出t j w x 2 0 0 0 型微机监测系统。 近些年来，随着以高速铁路和重载铁路为标志的铁路信号新技术设备的上道 运用，原有的t j w x 2 0 0 0 型信号微机监测系统逐渐已经不能满足需要。t j w x 2 0 0 0 型信号微机监测系统也存在一些缺点，如：某些数据采集不准确、软件升级困难 等。原有c p u 为单片机8 0 c 1 9 6 k b ，它的成本低但性能简单。随着铁路技术的飞 速发展，需要豁测的信息量越来越大，原有c p u 难以满足需求，时常出现监测不 准确或漏测的现象；现有的采集机软件部分由汇编语言编写，技术文档不全，若 要针对不同的车站作一些改动的话，比较困难，而不同的站场需要不同的采集机， 有很大的改动需求。同时铁道部的指示，需要新添加一些监测对象，如：2 5 h z 相 敏轨道电路、移频信号机、z p w - 2 0 0 0 等。针对这些问题，铁道部提出了运基信号 些塞至丑左堂亟芏焦监奎 i f直 2 0 0 6 1 3 1 7 号信号微机监测系统技术条件( 暂行) 文件，对微机监测提出了更高 的要求。 总体来看，对以下方面提出了更高的要求： 实时性：从系统结构上采用实时性好的采集和数据传输结构，提高整个系统的 实时性； 网络化：实现系统的广域网功能，解决广域分布化与复杂化的要求； 智能化：为电务维修和电务管理提供科学的决策依据； 扩展性：要求系统的可扩展性，可维护性非常强大，能兼容各种监测设备及服 务器协议。 嵌入式芯片的推广使微机监测系统的升级、研发更加方便，而传感器技术近年 来的飞速发展为微机监钡i 系统的监测方式提供了更多的选择。 1 2 微机监测系统结构 幽1 - i 微机监测系统结构幽 f i g l lc o m p u t e r m o n i t o r i n gs 笋t e ms h l l c t a r e 微机监测系统符合铁道部监测系统的网络要求。该系统分四层，由铁道部层、 铁路局层、电务段层( 包括电务段监测中心、领工区、工区等) 、以及车站层组成。 其中每一层组成并自的局域网，各车站之问通过专用广域网络环形连接，然后以 抽头的方式与电务段维护中心连接。整个体系以电务段维护中心为集中控制中心， 各个车站构成监控系统的基层信息基础。【3 】 车站系统是信号微机监测系统最基本的单元，负责数据的采集、分类和处理， 实现信号设备的实时监测和人机对话。车站系统是本文关注的重点。车站系统的 结构如图1 1 所示。站机完成实时监测和人机对话，收集数据、处理数据、存储数 据、查看数据等功能；各采集机采集数据，进行预处理后通过c a n 总线发送给站 机；智能传感器采集各自相应的信息通过m o d b u s 总线协议发送到采集机。 本文主要关注将数据从智能传感器到站机之间的采集机通信系统。 1 3嵌入式系统概述【4 】 嵌入式系统是当今非常热门的研究领域。嵌入式系统是以应用为中心，以计 算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统已经渗透到现代生活的方 方面面。 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3 个部分： 1 硬件环境：包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控 制器等，是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常 有不同的硬件环境。嵌入式微处理器是各种面向用户、面向产品、面向应用的 嵌入式系统的核心部件。其中a r m 处理器在所有的嵌入式应用领域确立了市 场领导地位。a r m 架构已经从v 1 发展到v 6 。包含了a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 、 a r m l l 等几个家族。目前非常流行的a r m 处理器内核有a r m 7 t d m i 、 a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 及a r m 9 e 等。 2 嵌入式操作系统：完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较 精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 ( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分。与通用操作系统相比较，嵌入式操 作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性，软件固态化以及应用的专用性 等方面具有较为突出的特点。最常用的嵌入式操作系统有l i n u x 、w i n c e 、 v x w o r k s 以及g c o s 等。 3 嵌入式应用程序：运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功 能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 1 4研究思路及研究的主要工作 3 本次研究作为车站微机监测的一部分，以通信为主要研究内容，主要的研究 工作可分为三个部分： 1 微机监测系统内部的通信系统的设计及具体应用，在基于l p c 2 2 9 2 的嵌入式 硬件平台上实现微机监测系统的升级。 2 在基于i i c o s i i 嵌入式操作系统上设计和实现微机监测系统与自律机的通信 协议，并在开关量采集机上进行应用。 3 分别设计了一个基于$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式处理器的微机监测通信总线分析系统 的软件和硬件。 下面以章为单位，介绍所做的工作。 第一章，综述。介绍了微机监测系统的的背景、发展和现状，以此引出本论文 研究的内容，并对论文的框架作了简要介绍。 第二章，微机监测系统通信系统设计。通过分析微机监测通信系统的结构、应 用技术及通信协议，设计了一个基于嵌入式平台的通信系统，并对该系统的性能 进行了分析。 第三章，微机监测通信系统的应用。在第二章设计的通信系统的基础上，设计 和开发了信号机回路电流、道岔功率和移频采集机程序，实现微机监测系统的升 级，并对这些采集机程序现场应用的效果进行分析，根据现场发现的问题对各采 集机程序进行修改和完善。 第四章，微机监测系统与自律机通信协议设计。在分析应用背景和具体协议的 前提下，设计了一个基于“c o s i i 操作系统的微机监测系统与自律机的通信协议， 并在开关量采集机上进行具体应用，最后对现场应用的情况和效果进行分析。 第五章，微机监测通信总线分析系统硬件设计。从设计该系统的构思入手，以 处理器s 3 c 2 4 1 0 a 为基础具体设计了系统硬件的各个模块及具体电路，并对硬件 电路设计及p c b 设计进行总结。 第六章，微机监测通信总线分析系统软件设计。以w i n c e 操作系统的应用为 入口，分别介绍了r s 4 8 5 总线分析模块和c a n 总线分析模块的软件设计过程，并 对设计的通信总线分析系统进行了测试。 第七章，结论。该章总结了课题的研究成果，并对其优缺点进行了论述，为接 下来的工作提供了研究方向。 4 2 微机监测系统通信系统设计 微机监测系统在原有t j w x - 2 0 0 0 系统的基础上增加新的采集功能，需要完全 重新设计相应的采集机程序。为了能够提高开发效率和降低开发复杂度，新增的 采集机采用专门的智能传感器对数据进行采集。 智能传感器采用的是杭州祥元电子科技有限公司生产的系列智能传感器。该 系列智能传感器使用专用a s i c ，具有采集精度高、相应速度快、安全性能好等特 点，并以r s 4 8 5 总线作为物理层，通过运行m o d b u s 通讯协议【6 】进行数据上 传，可直接组网。 本章通过分析微机监测通信系统的结构，并以分析m o d b u s 协议和c a n 通信协议为基础，分别介绍了将这两个协议在p c o s i i 操作系统中的具体 实现的过程，进而完成整个通信系统的具体设计，最后对设计的微机监测通 信系统的性能进行分析。 2 1微机监测通信系统结构分析 微机监测通信系统的设计，就是为各个智能传感器与站机之间搭建一个 数据通信通道，将智能传感器数据收集汇总整理后发送到站机进行处理、显 示和记录。微机监测通信系统通信系统运行m o d b u s 协议与智能传感器通信，通 过c a n 总线及相关协议与站机进行通信。微机监测通信系统的组成如图2 1 所示： 站机 c a n 总线上上 c a nh ii tc a nl i 糯c p u 板糕i l o d b ) 总线4 8 5 ，总线| 上1 ， ll - 智能采集器1智能采集器2智能采集器n 图2 - 1 通信系统组成框图 f i 9 2 1b l o c kd i a g r a mo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 5 通信系统使用基于l p c 2 2 9 2 的微机监测c p u 板作为硬件平台，连接在智能传 感器与站机之间，作为智能传感器与站机之间的通信通道。并按照连接的智能传 感器的监测功能进行命名，例如：连接的是道岔功率智能传感器，则命名为道岔 功率采集机。 采集机连接的智能传感器个数按照具体需要而定，初步设定最多连接个数为 3 0 个。采集机作为主机而智能传感器作为从机。采集机根据不同的功能设定不同 的分机号，共3 2 个可用的分机号。 2 2微机监测通信系统软件设计 微机监测通信系统采用的方案是基于t t c o s i i 嵌入式操作系统的存储转发机 制，对智能传感器采集的数据进行收集、格式转换并发送给站机。 g c o s i i 是一个著名的开放源代码的r t o s ( 实时操作系统) ，具有可移植、 可固化、可裁减和稳定性可靠性高等特点。p c o s i i 是基于优先级的抢占式实时 多任务操作系统，最多可支持6 4 个任务( 其中保留8 个给系统) 。 使用嵌入式操作系统的最大好处是可提高嵌入式系统的可靠性，同时也提高 了软件的开发效率，缩短了开发周期。 2 2 1 g c o s i i 操作系统应用简介6 1 在p c o s i i 操作系统中，每个任务都是无限循环的，每个任务都处于五种状 态之一：休眠态、就绪态、运行态、挂起态和中断态。状态转换关系如图2 2 所示： ，一一、f i 7 体眠， 、一一： 图2 - 2i t c o s i i 的五种状态转换 f i 9 2 - 2f i v es t a t et r a n s i t i o n so fi l c o s - i i g c o s - i i 的任务与前后台系统的无限循环相比，每个任务都是独立的无限循 环，而前后台系统则是多个功能模块在一个主循环中运行。使用p c o s i i 进行任 6 务管理，就是将程序的各个功能模块分成各个独立的任务，并用系统提供的信号 量、邮箱、消息队列等通知任务完成任务间通信，最终实现整个程序的功能。 p c o s i i 操作系统框图如图2 - 3 所示： 图2 - 3p c o s i i 系统框图 f i 9 2 3s y s t e md i a g r a mo ft t c o s i i 2 2 2m o d b u s 主站协议栈的实现 m o d b u s 主站协议结构模型如图2 4 所示： 图2 - 4m o d b u s 主站协议栈结构模型 f i 驴- 4s t a c km o d e lo fm o d b u sm a s t e rs t a t i o np r o t o c o l 数据链路层负责a d u 报文帧的接收和发送，以及与p d u 数据的相互转换。 m o d b u s 协议调度处理模块是主站协议栈的核心组成模块，它负责a d u 报文 帧的调度和m o d b u s 主站事务处理。该模块在i 1 c o s i i 下是一个后台运行的服务 任务。该模块通过a p i 函数m o d b u s p o l l o 为各个m o d b u s 请求提供服务。 7 a p i 函数模块是应用程序调度m o d b u s 各个功能代码请求的接口函数集合。各 个功能代码请求函数都是通过m o d b u s p o l l 0 向m o d b u s 协议调度模块发出请求， m o d b u s p o l l o 返回请求是否成功等对应的信息，同时m o d b u s p o l l ( ) i 函数也负责请求 出错重试处理。 图2 5m o d b u s 主站程序流程图 f i 9 2 5m o d b u sm a s t e rp r o g r a mf l o wc h a r t 图2 5 是m o d b u s 主站程序流程图。m o d b u s 主站协议使用i - t c o s 。i i 的一个任 务，在没有任务调度请求、等待从站应答和等待转换延迟时，该任务处于挂起状 态。由于各个状态不可能同时出现，因此任务各个阶段使用同一个信号量，只是 发出信号量的地方不同。发送请求帧阶段信号量由m o d b u s p o l l 0 函数发出；等待帧 应答处理阶段信号量由数据链路层发出；等待延迟阶段信号量由定时器发出。 2 2 3c a n 通信协议的程序设计 c a n 通信底层协议栈使用的是周立功公司提供的程序【_ 7 1 ，初始化程序、单帧 发送程序、中断接收程序和数据缓冲程序无需重新编写，只需将对应于不同硬件 和实际工程所需参数做出部分修改，就能实现对c a n 总线的控制和使用。丌发过 程中主要的工作是如何利用底层函数根据通信协议的要求进行数据处理以及将协 议栈移植到i 上c o s i i 操作系统下运行。 根据通信协议的要求，需要设计的程序主要分成命令解析模块、命令执行模 8 块和发送缓冲模块三部分。命令解析模块是将已经保存在环形缓冲区中的站机命 令读取出来，并改变环形缓冲区指针。命令执行模块是根据读取的命令将需要回 复的数据发送到环形缓冲区中，并设置相应的标志位。发送缓冲模块在系统空闲 时将环形缓冲区中等待发送的数据发送到c a n 总线上。 命令解析模块命令执行模块 发送缓冲模块 图2 - 6c a n 通信程序流程图 f i 9 2 - 6c a nc o m m u n i c a t i o np r o g r a mf l o wc h a r t 实现c a n 协议，需要占用2 个p c o s i i 任务。由于命令执行模块总是在命 令解析模块后进行，并且运行的几率取决于是否读取到的站机的命令，因此这两 个模块应该在同一个任务中执行，占用一个i _ t c o s i i 任务。将环形缓冲区中的数 据发送到c a n 总线的过程，占用的时间较长，但站机对接收到的帧的连续时间要 求并不高，因此这个过程应该在系统空闲时才进行，所以发送缓冲模块设计成单 独占用的一个i t c o s i i 任务，并且这个任务的优先级应该比较低。 2 2 4通信系统存储转发机制的实现 在p c o s i i 操作系统下建立的各个任务及其作用如下： t a s k o ： 对系统进行初始化并建立其他任务。 t a s k m o d b u s ： 读取和保存智能传感器数据( 根据不同分机分别设计) 。 o s m o d b u s s e r v e ： m o d b u s 主站协议栈程序，为t a s k m o d b u s 提供服务。 t a s k l e d ：控制工作灯秒闪，示意采集机工作状态。 9 亿k c 锄b 璐：接收c a n 数据并进行c a n 命令解析和命令处理。 佻k c a n b l l s s e n t ：将缓冲区数据发送到c a n 总线。 采集机通过运行m o d b 邯协议对智能传感器的数据进行读取并转换和保存在 自己的缓冲区中，当站机发来命令则根据站机命令将处理好的数据通过c a n 总线 发送给站机，即实现了存储转发的过程。 通信系统程序相当于一个开发不同采集机程序的一个开发模板，对应不同功 能的采集机只需要重新设计和编写任务t a s k m o d b u s 的程序，并按照不同分机的 要求修改t a s k c a n b u s 中的一些参数，即能实现不同功能的采集机程序，其余任务 都不需要进行修改，这样可以非常便于设计和编写新的采集机程序，也为微机监 测系统增加新的采集功能提供便利。程序中各个任务的关系如图2 7 所示。 图2 - 7 p c o s i i 任务关系图 f i 9 2 - 7 i t c o s - i it a s kr e l a t i o n s 在各个任务优先级的设置上，有几个方面需要注意： 1 o s m o d b u s s e r v e 是m o d b u s 接收和发送的子任务，优先级必须在各个任务中最 高。这是因为m o d b u s 数据链路层程序是以字节连续传输的时间间隔来判断发送和 接收数据包是否完成，发送每个字节之间时间的长短直接影响判断帧是否结束的 过程，若在发送或者接收的过程被高优先级任务打断，通信可能出现丢失数据包 的错误。【别 2 t a s k c a n b u s s t k 优先级必须高于t a s k c a n b u s s e n t s t k ，这是因为这两个任务都需 要对环形缓冲区指针进行操作，若t a s k c a n b u s s t k 在往环形缓冲区写数据过程中 被t a s k c a n b u s s e n t s t k 打断和改变缓冲指针，可能会导致c a n 通信数据包的通信 帧序号出错，导致传输数据错误。 3 t a s k c a n b u s s e n t 的优先级应该较低并且挂起延时时间应该很短。这是因为当需 要向c a n 总线发送的数据量较大时，短的挂起延时能够保证数据尽快发出，与此 同时由于往c a n 总线上发送帧数据的时间要求不高并且数据量较大时该任务会频 l o 繁占用c p u 资源，为了尽可能减少它对其余任务的影响，应将优先级设置得比较 低。 综上所述，各个任务优先级设定如下： t 瓠k o2 o s m o d b u s s c r v e3 t a s k c a n b u s4 t a s k m o d b u s5 t a s k c a n b u s s c n t6 t a s k l e d7 2 3通信系统性能分析 本节针对设计的通信系统的性能进行分析，主要集中在总线数据传输的实时 性和可靠性两方面进行分析。 2 3 1c a n 总线实时性分析 根据c a n 协议规范，连续6 个相同极性位是用于错误和协议控制信号。为了 避免所传送帧中的这些特殊的位模式出现，c a n 总线发送器只要检测到所发送的位 流里有5 个连续相同极性位，便自动在所发送的位流中插入一个填充位。这意味 着实际被传送的帧可能比原始帧要长，在分析时，需要考虑附加的传送时延。 c a n 标准数据帧由七个不同的域组成，分别是：帧起始、仲裁域、控制域、 数据域、c r c 检查域、a c k 应答域和帧结束标志位，其中数据域长度可为o 。数 据帧格式如表2 1 所示。 表2 1c a n 标准数据帧格式 1 1 a b 2 1s t a n d a r dc a nd a t af r a m ef o r m a t 帧起始仲裁域 控制域 数据域c r c 域a c k 应答域 帧结束标忠位 s o f 标谚 符 r t rt d er 0d l c0 8 字节c r c分界符 1 位1 1 位1 位l 位1 位4 位o 一6 4 位 1 6 位2 位 7 位 对于c a n 标准数据帧，除了数据域部分，帧起始、仲裁域、控制域和c r c ，共 计3 4 位，均以位填充方法进行编码其他位域( c r c 分界符、a c k 应答域和帧结束 标志位) 为固定格式，即有1 0 位不进行位填充。值得注意的是，5 个连续位包括所 插入的填充位。 假设报文历的数据字节数为瓯，填充前的位数为8s + 3 4 + 1 0 因为在c a n 帧 中只有8 s + 3 4 位用于位填充，那么位填充后的最坏情况下的报文长度为： 8 s + 3 4 + 1 0 + ( 竖掣) ( 2 - 1 ) 其中0 最8 ，且为正整数 考虑传输过程中附加的3 位帧间空间，得到最坏情况下的报文传输时间c 历的 表达式为： q _ 【8 最+ 3 4 + 1 3 + ( 坠芦慨 ( 2 - 2 ) 这里，是总线的位时间。 微机监测通信系统c a n 总线波特率设为2 5 0 k b p s ，可知为4 u s ，根据公式 2 - 4 ，可得在最坏情况下传送一个8 字节数据帧的时间q 约为0 5 m s ，即最坏情况 下传输速度约有2 0 0 0 帧秒。 若按照站机挂接的最大采集机个数3 2 个计算，平均每个采集机每秒能够与站 机交流6 0 帧以上的数据。而根据现场使用的情况，最大的车站使用的采集机个数 不到2 0 个，并且大多数采集机与站机通信的数据量每秒不到5 0 帧，c a n 总线使 用的2 5 0 k b i t s 的速率，足够满足微机监测系统的通信需要。 另外根据现场使用的情况，用c a n 分析仪对茶坞站c a n 总线的负载进行分 析，负载峰值约2 0 ，而大多数时间负载不大于5 ，证明2 5 0 k b i v s 的传输速率 能够满足现场使用的需要，实时性能够得到保证。 2 3 2m o d b u s 协议及总线实时性分析 采集机与智能传感器之间的物理层r s 4 8 5 总线使用的波特率为1 9 2 0 0 b i t s ，即 1 9 2 0 字节秒( 每传输1 个字节数据包括l 位启示位，8 位数据位和1 位停止位) ， 这个速率较c a n 总线的传输速率低将近一个数量级。因此，通信系统的通信能力 主要取决于r s 4 8 5 总线上传输的数据量。 m o d b u s 协议是一种主从通信机制，其通信时序如图2 8 所示： 1 2 j 。寸僦秘i 夕信p iii 准盏薹忑来 向从站2i 孬jj准翥釜磊 i 请求 i 等i 站 ： 向从站i ：待： - i i处iii处ii 站 ： 謦： 回应 il ：谓i l + l j 应i !求! i i 求i i lliiiii， fliiiii 里层彦罗咧耱嘲 iiil 缀黧溺黼 i! 一一7 jr7 ”7 。”1r ”。2 “ 并 来 图2 8m o d b u s 协议通信时序图 f i 9 2 - 8m o d b u sp r o t o c o lc o m m u n i c a t i o nt i m i n gd i a g r a m 在整个通信过程中，物理层总线上并不是一直都有数据通信，在主从机进行 数据处理时，总线上是没有数据的。请求、回应持续的时间取决于通信数据的吞 吐量，而等待和处理的时间长短则取决于主从机必要的处理时间。那么，实际上 的物理层总线上的通信量不可能达到设定的通信波特率。 根据m o d b u s 协议的数据帧格式定义，主机发送的查询数据包长度为8 个字节， 而从机回应的数据包长度则取决于主机查询包的内容，最大值为2 5 6 字节。但是， 根据智能传感器的使用说明，可知最大的数据包不大于8 0 字节，按照这个数据吞 吐量计算，主机在一秒内最多能够查询约2 0 个智能传感器的数据。但根据智能传 感器的使用情况来看，大多数类型的智能传感器的回应数据包长度都在4 0 字节以 下，因此可考虑采集机一次挂接的智能传感器的个数最多为3 0 个，这样基本能够 保证数据更新速率满足要求。个别智能传感器回应数据包较大，但是采集机循环 查询所有智能传感器的时i 、日j 也不会超过2 秒，基本能够达到微机监测系统对响应 时问i 的要求。 2 3 3c a n 总线可靠性分析 微机监测c a n 通信总线连接如图2 - 1 所示，通讯采用主从方式，由上位机定 时向采集机收集数据，同时采集机复位后发出自主包向站机报告。c a n 总线的每帧 信息都有c r c 校验，其通讯错误主要由信号衰减、信息同步失败引起，报文丢失 1 3 主要由发送失败引起，下文主要从网络容量、系统构成的硬件和软件设计、上层 通讯协议四方面来分析其对系统通讯可靠性的影响。 1 网络容量对通讯可靠性的影响 现场总线c a n b u s 的网络容量是指网络中节点间的通讯距离和节点总数。它 主要受总线拓扑结构、总线线路延时、各个节点的位时钟周期偏差、差分信号的 幅值衰减4 方面因素的影响。c a n 总线的拓扑结构主要采用总线型结构，但实际 连接中总线上挂接探测器时总线型拓扑结构还分为“t 型和“串型”连接。当 c a n 总线采用“t 型”连接时，两线接口简化了各节点的接口设计，但对于单一 t 型分支的长度和无中继器时支路中总的分支长度却有所限制，因为“t 型”结构 的采用会产生信号的反射，增加信号的衰减和干扰。但是微机监测采集机与站机 都在机械室内，且一般布置在一起，总线连接距离很短，采用“t 型”结构不会对 通信可靠性产生不良影响，反而可以简化布线。与此同时，由于微机监测c a n 总 线线路长度较短，一般不超多3 0 米，其余三种影响通信可靠性的情况几乎都不会 出现。 2 系统硬件构成对通讯可靠性的影响 在通信平台的使用中，需保证站机通讯适配卡和采集机有足够快的处理速度。 在c a n 适配卡的选择上，目前主要有p c i 、i s a 、u s b 、r s 2 3 2 总线和c a n 协议 转换的适配卡，当数据流量较大时，不宜选用r s 2 3 2 与c a n 转换的适配卡，而应 采用p c p c a n 或u s b c a n 适配卡，其工作频率可达4 0 m h z 以上，完全可以满足 高速数据采集的要求。站机使用的是p c i c a n 适配卡，而采集机c p u 是l p c 2 2 9 2 嵌入式处理器【8 】，它们的工作频率都在6 0 m h z 以上，可以满足微机监测对c a n 总 线速率的要求。 3 上层通讯协议对通讯可靠性的保证 传统的多机通讯采用主从模式，而c a n 总线引入了非破坏性总线仲裁技术， 当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送， 而优先级最高的节点可不受影响地继续传输数据。但当系统节点数较多，数据量 较大时，会产生优先级较低的节点在参与总线仲裁时总出现失败的现象，致使某 些节点长期不能发出数据，出现“死机”现象。为此，引入“时间片 的机制， 即依次为系统中的每个节点分配一段时间用于发送数据，以此避丌多节点参与竞 争，导致优先级低的节点总发送失败的现象。微机监测采用通讯采用主从方式， 在查询采集机数据的时候都制定了一定的时问间隔，这样，避开了多节点参与竞 争可能导致的报文丢失。 4 系统软件设计对通讯可靠性的影响 为了保证时间片机制能可靠的运行，又引入了定时器同步和广播报文。并利 1 4 用报文重发机制进一步提高通讯的可靠性。 1 ) 引入时间片后，系统可以良好的工作，每个节点都可以得到发送报文的机会， 但长时间工作后，由于采集机c p u 内定时器的误差积累使得各个节点的报文发送 时刻出现重叠，又开始了报文发送优先级仲裁的竞争。所以，周期性的让系统中 所有定时器同步清零一次，以减少定时器的时间误差累计。 2 ) 定时器的同步清零是利用广播报文来实现的。c a n 控制器有单滤波和双滤 波两种工作模式，采用双滤波模式时，c a n 控制器的滤波器被配置成两个短滤波 器，从网络上检测到的报文要和这两个滤波器都进行比较，至少有一个滤波器表 示为“接收 ，接收的报文才有效。利用这个特点，可以实现系统中所有探测器 同时收到控制器发送的报文，探测器收到相应命令后重新初始化定时器，就可以 实现定时同步了。 3 ) 为了进一步提高通讯可靠性，设置报文重发。在采集机程序中，每次报文发 送后都要检查c a n 控制器的中断寄存器，查看是否发生了仲裁丢失，一旦仲裁丢 失寄存器置位，则表明本次发送失败，则再次发送报文。最多重发3 次。以此来 降低因优先级竞争而导致的报文丢失率。 采用上述措施，能有效的降低报文发送的错误概率，有效提高通信可靠性。 经现场实际应用情况来看，c a n 总线上几乎没有发现数据丢失的情况。 2 3 4m o d b u s 协议及总线可靠性分析 微机监测采集机与智能传感器连接如图2 1 所示，以r s 4 8 5 作为物理层组建 m o d b u s 网络。以r s 4 8 5 作为物理层的总线，需要注意从硬件和软件两方面提高通 信的可靠性。 1 提高通信可靠性的硬件措施有： 1 ) 降低通信电缆中的信号反射 在通信过程中，阻抗不连续会导致信号反射。阻抗不连续信号在传输线末端 突遇到电缆阻抗突变，信号在这个地方就会引起反射。消除这种反射的方法是必 须在电缆的末端跨接一个与电缆特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连 续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通信电缆的另一端可跨接一个 同样大小的终端电阻。典型双绞线的特性阻抗约1 2 0 欧，终端电阻也应选择1 2 0 欧。在微机监测系统中，采集机c p u 板和智能传感器的m o d b u s 通信端口都有由 跳线设置的终