單片機組成的集散控制系統中雙串口同時通訊的實現

1　系統的體系結構

1.1　系統要求與總體方案設計

該系統中有單相、三相、機械式和電子式等各種型號電能表，要求實時、準確、快速、可靠地采集各分散電能表的用電量數據，適應各種復雜的工業生產現場條件，連續運行、操作簡便、維修快捷。硬件系統要具有通用性、可擴展性，并能適應各種大中型發電、用電企業的電量管理。因此在系統設計中，重點考慮了以下因素：實時性、高可靠性、環境的適應性、通用性、可擴展性、經濟性等。

集散控制系統DCS(Distributed ControlSystem)是一種分散控制、集中信息管理系統。由于該系統是在電廠使用，并已有DCS平臺，因此采用DCS作為主站，也可采用單獨的上位機來管理。DCS中采用了雙前置機熱后備的冗余系統設計方法，2臺前置機可相互替換以提高系統可靠性。

本DCS采用Interllution iFox工控組態軟件，使用工業標準總線RS422將集抄系統硬件連入前置機，進行電量分析，負荷管理，并具有圖形、曲線、報表打印輸出功能，可與其他網絡接口。由于采集模塊一般都不少于幾十個，如直接連入DCS，則測點太多，因此在DCS和采集模塊之間增加一級數據集中器(簡稱集中器)，將一個集中器作為一個測點，減輕DCS的負擔和大幅度降低成本，提高了系統的性能價格比。

集中器和采集模塊之間，采用工業標準總線RS485進行雙向通訊。集中器不斷巡測采集模塊，以統計存儲各種用電數據，同時又要保證和DCS之間的正常通訊，這就要求集中器具備雙串口同時通訊的能力。集中器中采用一片具有雙串口的CPU(DS80C320)來實現雙串口同時通訊。本系統中的RS422，RS232、紅外通訊均使用通用工業標準ModBus協議。

1.2　系統組成與功能

集抄系統由電量采集模塊、數據集中器、專用掌上電腦和DCS經RS422和RS485總線靈活配置而成。集抄系統組成圖如圖1所示。采集模塊通過檢測機械式電表表盤的轉數或電子式電表輸出的脈沖數，轉換成電表用電量，經RS485總線將用電量數據上傳。采集器中保存的用電量數據與原有電表上的用電量窗口顯示值相一致。安裝采集器后不改變原有電表的整體結構和計量精度。

采集模塊具有獨立的CPU和非易失性斷電保持存儲器及工作狀態燈指示。可現場設置初始參數。故障自動保護。適應現有各種型號的機械式、電子式電能表。

集中器負責各電表用電量數據的集中收集，處理和存儲。通過RS485總線與采集模塊通訊，讀取每個采集模塊中存儲的用電量數據。每臺集中器最多可管理 256臺電表。經RS422總線可與DCS之間進行雙向通訊，接受DCS的各種集中器具有獨立的CPU和非易失性斷電保持存儲器，可存儲當前用電量數據和歷史用電量數據。內部有實時時鐘，斷電后繼續保持走時。故障自動診斷，并將異常狀態上報DCS。可與其他系統(SCADA，MIS)直接進行接口。

DCS通過RS422總線與集中器進行雙向通訊，讀取集中器中存儲的各電表當前用電量數據和歷史用電量數據。用電量數據經DCS的記錄存儲及分析處理，為有關部門提供用電狀況的統計分析和管理。每個DCS可管理64個集中器。DCS具有系統運行參數設置、校時、事件記錄管理、曲線圖形報表打印輸出功能。實時讀取并顯示各電表的用電量數據，進行用電量數據分析。可與其他網絡接口，將數據傳輸給其他系統(SCADA，MIS)供分析處理。專用掌上電腦又稱掌上終端機。當掌上電腦安裝上相應的軟件后，利用紅外口現場初始化采集模塊，利用紅外口/RS232口現場初始化集中器、抄取數據、狀態信息等，是系統維護的重要工具。筆記本電腦也具有同樣的功能。

2　集抄系統軟件設計與實現

集抄系統軟件包括DCS軟件、集中器軟件、采集模塊軟件和專用掌上電腦軟件。其中集中器和采集模塊軟件用匯編語言編寫，專用掌上電腦軟件用專用掌上電腦編程語言實現。下面主要介紹DCS集抄系統軟件和集中器中雙串口CPU同時通訊的實現。

2.1　DCS集抄軟件

DCS集抄系統軟件采用Interllution iFox工控組態軟件，在Windows 95(以上)和Windows NT系統軟件平臺下完成，使用電廠流行的動態圖形對象和按鍵操作主窗口，類似Excel的表格大量用于數據錄入與顯示，美觀簡便的對話框和圖形曲線人機界面設計，使用戶操作快捷方便。DCS集抄軟件主要包括下列功能：

(1)選擇部分或全部瀏覽各種自動抄表數據和實時巡測數據。

(2)實時巡測、選抄功能可選擇抄收一個或幾個指定電表的當前電量，可選擇不間斷巡測部分或全部電表用戶的實時數據。

(3)自動抄表功能可指定自動抄收時間間隔，自動抄收整點數據、每隔可選時間間隔的全部電表數據、每天指定的幾個抄表時刻的電量數據等。

(4)各種報表曲線圖形的打印和完善的操作指南。

(5)系統配置靈活方便可在線任意增刪集中器和采集模塊，修改各種運行參數和電表用戶信息。

(6)自動故障診斷、事件記錄和信息追憶功能。

(7)多級口令管理，防止非授權人員操作的功能。

(8)方便多樣的查詢功能。

(9)進行負荷分析，統計各種曲線圖表。

2.2　集中器中雙串口CPU同時通訊的實現

由于集中器要實現和上位機與采集模塊的同時通訊，采用一片具有雙串口的CPU，該CPU具有2個串口和2個串口中斷，串口1中斷處理與上位機的通訊，串口2中斷處理與采集模塊的通訊，串口1中斷設置為高優先級中斷，每接塑到或發送完一個字節都進入中斷處理，處理完畢立即退出中斷，通訊波特率都為9 600 b/s，一個起始位和一個停止位。首先要解決時間沖突問題，硬件接受或發送一個字節的時間為1 ms左右，而軟件接受或發送一個字節的時間僅幾μs，這就為雙串口同時通訊提供了條件。

同時通訊實際上是將CPU時間分成很小的時間片，假設較快的串口發送或接受一個字節的最長時間為TRbyteMax，則CPU最長時間片一般應小于TRbyteMax/2，當然在接受或發送完一幀數據之后的間隙，CPU 時間片可以適當延長，作一些必要的數據處理。

其次要解決數據沖突問題，2個串口通訊分別使用各自的接受發送數據緩沖區和控制變量，以減少中斷保護數據量和防止數據沖突。當主程序、串口2中斷處理程序和其他中斷處理程序往存儲器(與上位機的通訊用存儲器)中寫數據時，需在盡量短的時間內關閉串口 1中斷，關閉中斷時間應小于幾百μs，防止其他程序數據沒有寫完之前串口1讀此數據。