CN105337982B - 一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块及实现方法 - Google Patents

一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块，包括上位机总监控系统、电源通信系统、电源控制系统以及网络，所述电源通信系统通过以太网使用ModBus TCP与上位机总监控系统连接，所述电源通信系统通过RS485或RS232使用ModBus RTU与现场监控系统连接，所述电源通信系统通过RS485或RS232使用自由协议与电源控制系统连接；所述电源通信系统内部设置有嵌入式操作系统和定时器，所述上位机总监控系统内设置有定时器。嵌入式操作系统用于管理接收到的数据，对接收到的数据进行优先级的分配，优先传递电压、电流以及闪络频率给上位机监控系统。本发明具有高速、兼容性强且结构简单可靠的特点。

Description

一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块及实现方法
技术领域
本发明涉及数据采集和通讯系统技术领域，特别涉及一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块及实现方法。
背景技术
高频高压静电除尘电源是火力发电厂、水泥厂和钢铁厂等高粉尘污染企业静电除尘设备的核心装置，其输出电压平均值高达几十千伏，工作频率在几十千赫兹以上，并且具有高速的闪络控制能力，这就需要电源控制系统需要保证高速的运行速度来处理相应的数据和控制闪络的能力，因此在传输数据的能力就难以达到很高的要求，只能使用结构相对简单，易于成帧，且具有一定准确率的自由协议来传递数据，而上位机监控设备需要实时监控高频电源的工作状态，当发生异常时，需要立刻做出反应，以防止设备损坏和人员伤亡，普通的自由协议使用串行链路通信，其传输速度最高只能达到38.4KB/s，无法满足多个电源设备数据传输到上位机的要求。
发明内容
为解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块，包括上位机总监控系统、电源通信系统、电源控制系统以及网络，所述电源通信系统通过以太网使用ModBus TCP与上位机总监控系统连接，所述电源通信系统通过RS485或RS232使用ModBus RTU与现场监控系统连接，所述电源通信系统通过RS485或RS232使用自由协议与电源控制系统连接；所述电源通信系统内部设置有嵌入式操作系统和定时器，所述上位机总监控系统内设置有定时器。
进一步的，所述自由协议包括标志字符、起始字符、命令字符、数据字符、结束字符以及校验和，每个字符采用十六进制，其中标志字符(0x10)为DLE，起始字符(0x02)为STX，结束字符(0x03)为ETX。
一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块的实现方法，具体步骤如下：
步骤1：从上位机总监控系统中的上位机发送数据，通过上位机总监控系统内部的定时器判断是否超时，如果超时则产生报错将信息反馈至上位机总监控系统，如果不超时则进入步骤2；
步骤2-1：数据传输至电源通信系统，将数据中的命令和地址内容取出，然后将命令和地址分装成自有协议，之后数据通过串口链路发送给电源通信系统；
步骤2-2：数据传输至电源通信系统，数据根据ModBus TCP帧格式预留部分内容，之后形成标准ModBus TCP标准协议，最后使用以太网接口发送协议给上位机总监控系统；
步骤3：电源通信系统内使用定时器进行定时，并进行判断是否超时，如果超时则得出电源信息系统与电源控制系统之间线路出错的结论并将结论传送至上位机总监控系统，如果不超时则进入步骤4；
步骤4：电源控制系统定时器开始定时接收数据，并通过定时器判断是否超时，如果不超时则返回至电源控制系统继续进行数据接收，如果超时则进入步骤5；
步骤5：一帧数据传输完成后电源控制系统对数据进行分析，对STX和ETX进行校验并校验检验和，然后根据协议内容进行数据采集，形成自有协议发送给电源通信系统；
步骤6：电源通信系统内部定时器开始定时接收数据并通过定时器判断是否超时，如果不超时则继续进行数据接收，如果超时则进入步骤7；
步骤7：一帧数据传输完成后电源通信系统对数据进行分析，对STX和ETX进行校验并校验检验和，然后根据采集到的数据内容使用操作系统进行优先级分配；
步骤8-1：优先分配后的数据内容形成标准ModBus TCP标准协议，并使用以太网接口发送协议给上位机总监控系统；
步骤8-2：优先分配后的数据内容形成ModBus RTU标准协议，并使用串行链路接口发送给现场监控系统。
其中所述步骤5的具体实现方法如下：
第一步：提取从串口接收到的数据，并对数据进行检验，判断标志字节DLE后是否是起始字节STX，以及判断数据帧结尾是否是结尾字节ETX；
第二步：检验无误判定只有一个数据帧后，判断校验和是否为地址、命令、data的字节和取补；
第三步：将为了防止干扰帧分界的转义字节DLE删除；
第四步：将数据帧内容中的命令、寄存器地址以及寄存器起始地址内容取出，并根据命令、寄存器地址以及寄存器起始地址进行数据采集；
第五步：将采集到的数据重新按照上述自有协议的格式重新封装，通过串口链路RS232或RS485发送给电源通信模块。
其中所述步骤7的具体实现方法如下：
第1步：提取从串口接收到的数据，并对数据进行检验，判断标志字节DLE后是否是起始字节STX，以及判断数据帧结尾是否是结束字节ETX；
第2步：检验无误判定只有一个数据帧后，判断检验和是否为地址、命令、data的字节和取补；
第3步：将为了防止干扰帧分界的转义字节DLE删除；
其中所述步骤8-1中将数据内容形成ModBus TCP的具体方法为：将命令字节转换成ModBus所要求命令字节内容，并把寄存器地址，寄存器起始地址填充为满足ModBus标准协议的两个字节，其中高字节填充0x00；最后去除自有协议校验和，将协议转换部分所保留的五个字节数据填充到帧头形成标准的ModBus TCP协议格式。
其中所述步骤8-2中将数据内容形成ModBus RTU的具体方法为：将命令字节转换成ModBus所要求命令字节内容，并把寄存器地址，寄存器起始地址填充为满足ModBus标准协议的两个字节，其中高字节填充0x00；最后去除自有协议校验和，末端填充两个字节的ModBus标准协议CRC16检验码形成标准的ModBus RTU协议格式。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、利用嵌入式软硬件平台，将高频高压静电除尘电源控制系统的自由协议转换成与上位机通用监控软件相兼容的标准协议，实现协议转换的功能；
2、使用一种高速、误码率低、成帧简单的自由协议，降低高频高压静电除尘电源控制系统的成帧难度，并提高数据错误检验能力；
3、采用多任务处理，根据数据重要程度优先传输指定数据；
4、使用定时器超时方法，检验线路是否通畅，易于判断通信线路出错地点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图1所示，包括上位机总监控系统，电源控制系统、电源通信系统、现场监控系统以及网络；电源通信系统通过RS232或RS485使用自由协议与电源控制系统相连，电源通信系统通过RS232或RS485使用ModBus RTU现场监控设备相连，电源通信系统通过以太网使用ModBus TCP与上位机总监控系统相连。其中自由协议包括标志字符、起始字符、命令字符、数据字符、结束字符以及校验和，每个字符采用十六进制。标志字符(0x10)用DLE表示，起始字符(0x02)用STX表示，结束字符(0x03)用ETX表示。
电源通信系统设置有μC/OS III嵌入式操作系统，所述嵌入式操作系统用于管理接收到的数据，对接收到的数据进行优先级的分配，优先传递电压、电流以及闪络频率给上位机监控系统。
上位机总监控系统及电源通信系统中都含有定时器，并通过定时器定时检测线路状况，采用定时器定时等待响应，若未能在定时时间内返回数据，则根据定时器位置迅速找到线路出错所在。
上位机总监控系统使用IFIX组态软件循环发送标准协议查询高频高压静电除尘电源数据，同时设定定时器等待响应，当超出定时器定时时间未能响应数据，则显示上位机总监控系统与电源通信系统之间的传输线路出现故障。
电源通信系统采用STM32F103作为核心，使用以太网接口接收到上位机总监控系统的ModBus TCP后，协议转换部分将前端五个字节数据保存不动，将后续命令字节，地址字节取出，重新编写成电源控制系统所需要的自由协议格式，其中自由协议具体格式如下：
DLE STX 原地址 命令 data … data DLE ETX 校验和
采用特殊字节作为开始和结束作为起始和结束的分界符。若接收方丢失了同步，搜索标志字节就能找到当前帧的结束位置。当标志字节的位模式出现在数据中时，干扰帧的分界时。发送方在数据链路层遇到这个标志字节前，插入一个相同的转义字节(DLE)基本格式。
地址，命令，data：如果等于DLE，需再填充一个DLE；
校验和：为地址、命令、data的字节和取补。
电源通信模块将标准协议转换成自由协议后，通过串口链路发出，并使能定时器1开始定时，当定时器1判断时间超过预定的时间比如超过10ms时，电源控制系统未能即时响应相应数据，则通过以太网使用ModBus TCP向上位机报错，上位机界面内容显示电源通信模块与电源控制系统通信线路出错。
电源控制系统通过串口接收到数据，为防止数据帧重叠、遗漏和多个数据同时到达电源控制系统，进行数据帧校验，其中数据帧校验的具体步骤如下：
步骤1：使定时器2，判断并在接收数据时不断清零，当定时器的时间如果超过预定时间比如超过1ms时，则判断一帧数据传输完毕。
步骤2：提取从串口接收到的数据，并对数据进行检验，判断标志字节DLE后是否是起始字节STX和数据帧结尾是否是结束字节ETX。
步骤3检验无误判定只有一个数据帧后，判断校验和是否为地址、命令、data的字节和取补。
步骤4将为防止干扰帧分界的转义字节DLE删除。
步骤5将数据帧内容中的命令、寄存器地址以及寄存器起始地址内容取出，并根据命令、寄存器地址以及寄存器起始地址进行数据采集。
步骤6将采集到的数据重新按照上述自由协议的格式重新封装，通过串口链路RS232或RS485发送给电源通信模块。
根据图1可知电源通信模块接收多个控制系统内的数据，同样为防止数据帧重叠、遗漏和多个数据同时到达电源控制系统，进行数据帧校验。并根据采集数据重要程度不同分配不同优先级，其具体步骤如下：
步骤1：使能定时器2，判断并在接收数据时不断清零，当定时器的时间如果超过预定时间比如超过1ms时，则判断一帧数据传输完毕。
步骤2：提取从串口接收到的数据，并对数据进行检验，判断标志字节DLE后是否是起始字节STX和数据帧结尾是否是结束字节ETX。
步骤3：检验无误判定只有一个数据帧后，判断校验和是否为地址、命令、data的字节和取补。
步骤4：将为防止干扰帧分界的转义字节DLE删除。
步骤5：将命令字节转换成ModBus所要求命令字节内容，并把寄存器地址，寄存器起始地址填充为满足ModBus标准协议的两个字节，其中高字节填充0x00。
步骤6-1：去除自由协议校验和，末端填充两个字节的ModBus标准协议CRC16校验码，形成标准的ModBus RTU协议格式。
步骤6-2：去除自由协议校验和，将协议转换部分所保留的五个字节数据填充到帧头形成标准的ModBus TCP协议格式。
步骤7：采用μC/OS III中的OSTaskCreate()函数，分配三个不同优先级的数据发送任务，同时挂起等到信号量，电源通信模块根据数据重要程度，发布不同的信号量。
步骤8-1：使用RS232或RS485将ModBus RTU发送给现场监控系统。
步骤8-2：使用以太网接口通过局域网，将ModBus TCP发送给上位机监控系统。
本发明的具体实现方法如图2所示，上位机总监控系统循环发送标准协议查询电源系统相应数据，上位机总监控系统使用定时器定时，检验上位机总监控系统与电源通信系统之间的线路是否通畅。电源通信系统接收到数据后，将数据交由电源通信系统进行处理。电源通信系统根据标准协议格式类型，进行标准协议解析，并形成特定的自由协议传输帧。电源通信系统将特定自由协议传输帧发送给电源控制系统。电源通信系统使用定时器进行定时，用于检验电源通信系统与电源控制系统线路是否通畅。电源控制系统得到自由协议传输帧后进行帧检验。电源控制系统根据要求采集电压电流或闪络频率等数据。电源控制系统根据特定自由协议形成传输帧。主控制系统通过串口链路将数据传输到电源通信系统中。电源通信系统根据特定自由协议格式内容进行帧格式分解。根据现场总线类型，协议转换器形成相应的标准协议。协议转换器汇集多个电源系统后，根据数据优先级，将优先级高的标准协议数据优先传输至上位机总监控系统。
以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明，本发明对于远程串级控制尤其适用。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。

Claims (5)

1.一种用于高频高压静电除尘电源的通信模块的实现方法，其特征在于：
步骤1：从上位机总监控系统中的上位机发送数据，通过上位机总监控系统内部的定时器判断是否超时，如果超时则产生报错将信息反馈至上位机总监控系统，如果不超时则进入步骤2；
步骤2-1：数据传输至电源通信系统，将数据中的命令和地址内容取出，然后将命令和地址分装成自由协议，之后数据通过串口链路发送给电源通信系统；
步骤2-2：数据传输至电源通信系统，数据根据ModBus TCP帧格式预留部分内容，之后形成标准ModBus TCP标准协议，最后使用以太网接口发送协议给上位机总监控系统；
步骤3：电源通信系统内使用定时器进行定时，并进行判断是否超时，如果超时则得出电源信息系统与电源控制系统之间线路出错的结论并将结论传送至上位机总监控系统，如果不超时则进入步骤4；
步骤4：电源控制系统定时器开始定时接收数据，并通过定时器判断是否超时，如果不超时则返回至电源控制系统继续进行数据接收，如果超时则进入步骤5；
步骤5：一帧数据传输完成后电源控制系统对数据进行分析，对起始字符STX和进结束字符ETX行校验并校验检验和，然后根据协议内容进行数据采集，形成自有协议发送给电源通信系统；
步骤6：电源通信系统内部定时器开始定时接收数据并通过定时器判断是否超时，如果不超时则继续进行数据接收，如果超时则进入步骤7；
步骤7：一帧数据传输完成后电源通信系统对数据进行分析，对STX和ETX进行校验并校验检验和，然后根据采集到的数据内容使用操作系统进行优先级分配；
步骤8-1：优先分配后的数据内容形成标准ModBus TCP标准协议，并使用以太网接口发送协议给上位机总监控系统；
步骤8-2：优先分配后的数据内容形成ModBus RTU标准协议，并使用串行链路接口发送给现场监控系统。
2.根据权利要求1所述的用于高频高压静电除尘电源的通信模块的实现方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现方法如下：
第一步：提取从串口接收到的数据，并对数据进行检验，判断标志字节DLE后是否是起始字节STX，以及判断数据帧结尾是否是结尾字节ETX；
第二步：检验无误判定只有一个数据帧后，判断校验和是否为地址、命令、data的字节和取补；
第三步：将为了防止干扰帧分界的转义字节DLE删除；
第四步：将数据帧内容中的命令、寄存器地址以及寄存器起始地址内容取出，并根据命令、寄存器地址以及寄存器起始地址进行数据采集；
第五步：将采集到的数据重新按照上述自有协议的格式重新封装，通过串口链路RS232或RS485发送给电源通信模块。
3.根据权利要求1所述的用于高频高压静电除尘电源的通信模块的实现方法，其特征在于：所述步骤7的具体实现方法如下：
第1步：提取从串口接收到的数据，并对数据进行检验，判断标志字节DLE后是否是起始字节STX，以及判断数据帧结尾是否是结束字节ETX；
第2步：检验无误判定只有一个数据帧后，判断检验和是否为地址、命令、data的字节和取补；
第3步：将为了防止干扰帧分界的转义字节DLE删除。
4.根据权利要求1所述的用于高频高压静电除尘电源的通信模块的实现方法，其特征在于：所述步骤8-1中将数据内容形成ModBus TCP的具体方法为：将命令字节转换成ModBus所要求命令字节内容，并把寄存器地址，寄存器起始地址填充为满足ModBus标准协议的两个字节，其中高字节填充0x00；最后去除自有协议校验和，将协议转换部分所保留的五个字节数据填充到帧头形成标准的ModBus TCP协议格式。
5.根据权利要求1所述的用于高频高压静电除尘电源的通信模块的实现方法，其特征在于：所述步骤8-2中将数据内容形成ModBus RTU的具体方法为：将命令字节转换成ModBus所要求命令字节内容，并把寄存器地址，寄存器起始地址填充为满足ModBus标准协议的两个字节，其中高字节填充0x00；最后去除自有协议校验和，末端填充两个字节的ModBus标准协议CRC16检验码形成标准的ModBus RTU协议格式。
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