CN110502461B - 一种基于rs485通讯协议的高效数据采集方法 - Google Patents

一种基于rs485通讯协议的高效数据采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于远程数据采集技术领域，提供了一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法。本发明的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，包括，S1：对RS485总线上所有设备的参数设定访问优先级；S2：设备数据访问行为进行封装；S3：将所有设备参数形成访问对象链表；S4：根据预先设定的设备参数访问优先级，对访问对象链表循环检索获取设备参数，并进行应用处理。本发明在无需对RS485总线进行电气改造或加设RS485总线的前提下，通过对RS485总线上所有设备的参数进行访问优先级设定，按设定的访问优先级对设备参数进行访问，使得各种优先级的设备数据能够得到相对满意的数据更新率，提高控制系统整体的事件响应速度，降低控制系统的建设和维护成本。

Description

一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法
技术领域
本发明涉及远程数据采集技术领域，具体涉及一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法。
背景技术
RS485是一种用于串行通讯的电气特性标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义，又名TIA-485-A、ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。RS485总线采用差分传输，具有远距离、多节点以及传输线成本低的特性，使得其广泛运用于工业自动化、物联网、抄表系统等远程数据采集领域。RS485总线为一主多从拓扑结构形式，即同一总线只有一个主机，但允许有多个从机设备。
传统RS485总线采用轮询的方法，逐个对总线上的设备进行数据采集。在实际工程应用中远程数据采集一般都采用较低的通讯波特率(2400-9600)以保证数据传输的可靠性，特别是在一些布线困难的应用场合，还可能需在RS485总线上加装BigZee或Lora无线模块进行信号中继，造成通讯效率进一步下降，通过在实际工程应用中测试，一次简单的双字节的数据采集(另加部分通讯协议数据)所需时间为数十毫秒左右、带无线信号中继时可超过200毫秒，因此当总线上设备较多、需采集的数据规模较大时，完整的轮询采集一遍设备数据所需耗时可能多达数秒甚至数十秒时间，当系统对设备事件响应速度要求较高时将难以满足应用。一般的，如果要解决这类问题，需架设多条RS485通信线路，采用多通道、多线程并行采集的方法，这大幅度的增加了系统的建设和运维成本。
在一些数据采集应用场合中，并非所有的设备数据都要求是高实时性的。例如，在同一条RS485总线上的多个传感器设备，可同时采集环境温度数据、环境湿度数据、环境亮度、电网电压、线路负载电流、线路功率因数、有有功电度数、火警数据、水浸数据等。很显然，有功电度数可以每小时或每天甚至每月采集一次就满足需求，无需实时性采集；环境温度、环境亮度和电网电压在相对不太长的时间内不会产生大变化，总体趋于稳定，线路负载电流和功率因数虽经常变化，但在偏离正常值后短时间内也不会造成事故，只要能在较短时间内侦查到并进行调节处理就可以满足应用，为一般实时性采集需求；但是火警、水浸数据则需要在出现异常值后在尽可能短的时间内进行响应，要求有最高的数据采集率。因此，可将这些传感器数据根据实时性要求进行优先级划分，让所有类型数据的实时性响应特性得到满足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，提高了控制系统的实时监控能力和安全保障能力，同时降低控制系统的建设和维护成本。
一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，包括：
S1：对RS485总线上所有设备的参数设定访问优先级；
S2：设备数据访问行为封装；
S3：将所有设备参数形成访问对象链表；
S4：根据预先设定的设备参数访问优先级，对访问对象链表循环检索获取设备参数，并进行应用处理。
进一步地，所述S1中设备参数访问优先级划分为一级优先、二级优先和三级优先三个等级，其中，高实时性数据对应等级为一级优先、普通实时数据对应等级为二级优先、长周期定时数据对应等级为三级优先。
进一步地，所述S2中设备数据采用Modbus通讯协议格式。
进一步地，定时到期的三级优先对象未生效时，所述S4中访问对象链表循环检索获取设备参数的过程包括：
S401：初始化，清除所有执行对象的执行标志和次级优先执行标志，执行对象的标志或次级优先执行标志置位，表示该对象或该次级优先已经执行；否则，表示该对象或该次级优先未执行；
S402：获取执行对象链表中的首个执行对象；
S403：将当前检索对象的优先级类别记录在变量Prio中；
S404：判断Prio是否为一级优先，如果是，则执行S405；否则，执行S412；
S405：设置对象执行标志；
S406：执行访问对象，获得对应的设备参数并进行应用处理；
S407：通过指针pNext获取链表中的下一个执行对象；
S408：判断新获得的下一个执行对象有效，如果是，则返回到S403；否则，执行S409；
S409：判断所有二级优先执行对象是否全部执行过，如果是，则执行S411；否则，执行S410；
S410：清除次级优先执行标志，然后返回S402；
S411：清除链表中所有的二级优先执行对象的执行标志，执行S410；
S412：判断次级优先执行标志是否置位，如果未置位，则执行S413；否则，返回S407；
S413：判断Prio是否为二级优先，如果是，则执行S414；否则，执行S417；
S414：判断当前二级优先对象执行标志是否已经置位，如果已经置位执行S407；否则，执行S415；
S415：设置该二级优先对象的执行标志，准备执行该二级优先对象；
S416：设置次级优先执行标志，转跳到S405；
S417：检查定时执行对象的定时器有没有到期生效，如果到期生效，执行S418；如果没有到期生效，则转跳到S407；
S418：重置定时执行对象的定时器，然后执行S415。
进一步地，定时到期的三级优先对象生效时，所述S412的竞争过程包括：
S41201：判断次级优先执行标志是否置位，如果未置位，则执行S41202；否则，返回S407；
S41202：判断定时到期的三级优先对象和二级优先对象是否同时存在，如果是,执行S41203；如果不同时存在，执行S413；
S41203：定时到期的三级优先对象和二级优先对象竞争此次次级优先执行机会，如果到期的三级优先对象获得此次执行机会，执行S418；否则，执行S414。
进一步地，每次访问对象链表优先执行一级优先对象，并且仅执行一个次级优先对象，次级优先对象包括二级优先对象和定时到期的三级优先对象，在本次访问对象链表循环检索过程中未获得此次次级优先执行机会的二级优先对象或定时到期的三级优先对象，在下一次访问对象链表循环检索时，按链表中的顺序轮换执行另一个次级优先对象，直到所有的二级优先对象或定时到期的三级优先对象都执行完成。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：在无需对RS485总线进行电气改造或加设RS485总线的前提下，通过对RS485总线上所有设备的参数设定访问优先级、设备数据访问行为封装、所有设备参数形成访问对象链表、按设定的访问优先级对设备参数进行访问，使得各种优先级的设备数据能够得到相对满意的数据更新率，提高控制系统整体的事件响应速度，降低控制系统的建设和维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标志标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法的流程图；
图2为图1所示的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法中定时到期三级优先对象未到期生效时检索访问对象链表的流程图；
图3为图2所示的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法中定时到期三级优先对象到期生效时与二级优先对象竞争的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
请参阅图1，本实施例提供的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，S1：对RS485总线上所有设备的参数设定访问优先级，其中高实时性数据对应一级优先、普通实时数据对应二级优先、长周期的定时数据对应三级优先。
S2：采用Modbus通讯协议格式对在RS485总线上设备参数的访问行为进行封装。主机发送的Modbus数据读请求的报文格式如表1所示，由发送报文由地址域、功能码、寄存器地址、寄存器、CRC构成。
Figure GDA0003916818620000051
其中，地址域指的是主机想要访问的设备的ID，其值为1-127；功能码指的是主机指示被访问的设备要执行的操作类型，具有特定值；寄存器地址指的是主机想要访问设备中的寄存器、线圈、输入离散量的开始地址；寄存器数量指的是主机想要访问设备中的寄存器、线圈、输入离散量的总数量；CRC校验码用于对报文数据进行差错校验，保证数据的正确性。
本发明中对设备参数访问行为的对象描述基于C++编程语言，访问行为对象类的基本成员定义描述如下：
Figure GDA0003916818620000052
Figure GDA0003916818620000061
S3：每个报文对应一个Modbus_Access对象，通过指针pNext将RS485总线上所有设备的多个Modbus_Access对象连接成单一链表。
S4：根据预先设定的设备参数访问优先级，对访问对象链表循环检索获取设备参数，并进行应用处理。
通过划分设备参数优先级、进行设备参数访问行为进行封装，降低了Modbus协议通讯时对于每个设备中多个参数、多个地址使用单独的报文获取带来的数据开销和获取高优先级设备参数的时间。
请参阅图2，定时到期的三级优先对象未生效时，S4中对访问对象链表循环检索获取设备参数的过程包括：
S401：初始化，清除所有执行对象的执行标志和次级优先执行标志。执行对象的标志或次级优先执行标志置位，表示该对象或该次级优先已经执行。否则，表示该对象或该次级优先未执行。
S402：获取执行对象链表中的首个执行对象。
S403：将当前检索对象的优先级类别记录在变量Prio中。
S404：判断Prio是否为一级优先，如果是，则执行S405；否则，执行S412。
S405：设置对象执行标志。
S406：执行访问对象，获得对应的设备参数并进行应用处理。
S407：通过指针pNext获取链表中的下一个执行对象。
S408：判断新获得的下一个执行对象有效，如果是，则返回到S403；否则，执行S409；执行对象有效，说明对象链表没有检索完毕；执行对象无效，链表指针指向无效地址，说明对象链表已经全部检索完毕。
S409：判断所有二级优先执行对象是否全部执行过，如果是，则执行S411；否则，执行S410。
S410：清除次级优先执行标志，然后返回到S402。
S411：清除链表中所有的二级优先执行对象的执行标志，执行S410。
S412：判断次级优先执行标志是否置位，如果未置位说明没有执行过次级优先对象，则执行S413；否则，认为当前链表检索循环已经执行过次级优先对象，不再执行其它的次级优先对象，返回S407。
S413：判断Prio是否为二级优先，如果是，则执行S414转到二级优先执行对象分支；否则，执行S417转到定时执行对象分支。
S414：判断当前二级优先对象执行标志是否已经置位，如果已经置位明该对象已经执行过返回S407，寻找其它执行标志未的置位的二级优先对象去执行；否则，执行S415为执行该二级优先对象作准备。
S415：设置该二级优先对象的执行标志，准备执行该二级优先对象。
S416：设置次级优先执行标志，转跳到S405去执行访问对象。
S417：检查定时执行对象的定时器有没有到期生效，如果到期生效，执行S418；如果没有到期生效，则转跳到S407返回主循环继续寻找其它未执行的次级优先对象。
S418：重置定时执行对象的定时器，然后执行S415。
以一条RS485总线上一共有12个设备，每个设备仅有一个参数为例说明访问对象链表循环检索的过程，A1、A2为一级优先访问参数的访问执行对象，B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9为二级优先访问参数的访问执行对象，C1为定时访问参数的访问执行对象。
当C1定时访问未到期时，访问顺序为首先执行一级访问对象A1和A2，然后执行一次次级优先对象B1，二级优先对象未全部执行完，清楚次级优先执行标志，本次检索结束，进行第二次检索。再次，执行一级访问对象A1和A2，然后执行一次次级优先对象B2，二级优先对象未全部执行完，清楚次级优先执行标志，本次检索结束，进行第三次检索。按照以上过程，最终对象链表的访问顺序为A1-A2-B1、A1-A2-B2、A1-A2-B3、A1-A2-B4、A1-A2-B5、A1-A2-B6、A1-A2-B7、A1-A2-B8、A1-A2-B9。
请参阅图3，定时到期的三级优先对象生效时，S412的竞争过程包括：
S41201：判断次级优先执行标志是否置位，如果未置位，则执行S41202；否则，返回S407。
S41202：判断定时到期的三级优先对象和二级优先对象是否同时存在，如果是,执行S41203；如果不同时存在，执行S413。
S41203：定时到期的三级优先对象和二级优先对象通过CSMA/CD机制竞争此次次级优先执行机会，如果到期的三级优先对象获得此次执行机会，执行S418；否则，执行S414。
当C1定时访问生效时，一级优先访问对象A1和A2执行完成后，进行次级优先对象B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、定时访问对象C1的执行。其中，次级优先对象B1与定时访问对象C1执行CSMA/CD机制竞争，次级优先对象B1或定时访问对象C1得到此次执行机会，获取数据并进行相应处理，二级优先对象未全部执行完，清楚次级优先执行标志，本次检索结束，进行第二次检索。再次，执行一级访问对象A1和A2，如果定时访问对象C1没有得到此次执行机会，次级优先对象B2和定时访问对象C1执行CSMA/CD机制竞争，因此，对象链表的访问顺序为A1-A2-B1、A1-A2-C1、A1-A2-B2、A1-A2-B3、A1-A2-B4、A1-A2-B5、A1-A2-B6、A1-A2-B7、A1-A2-B8、A1-A2-B9。
从上述例子，A1、A2一级优先访问参数在每三次总线访问中就可以得到一次执行机会，数据刷新率从传统轮询方法的十二分之一提高到三分之一，数据响应速度得到极大的提高，可以实现秒级响应。二级优先参数B1-B9则在每二十七次访问中就可以得到一次执行机会，数据刷新率虽比传统轮询方法要低些，但同样可保证数据的实时采集性，能满足一般性的实时应用要求。而定时访问参数则根据实际应用的需要定时采集数据，不会像传统轮询方法一样经常抢占总线通讯时间，造成通讯效率低下的后果。
需要说明的是，第一：设备参数的划分等级可以根据特定的应用领域进行细分或合并；第二：对设备参数访问行为的封装基于C++编程语言实现的，但其实现的方法不局限于C++语言；第三：成员函数DeviceAccess()是与Modbus协议基本功能相关的应用接口模型，其实现过程不是本发明的重点，不在本发明中进行详细描述；第四：主机对设备返回的响应报文的差错处理、数据解析及应用，由主机中的应用程序进行处理，不在本发明的描述范围内。
本实施例提供的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，在无需对RS485总线进行电气改造或加设RS485总线的前提下，通过对RS485总线上所有设备的参数设定访问优先级、设备数据访问行为封装、所有设备参数形成访问对象链表、按设定的访问优先级对设备参数进行访问，使得各种优先级的设备数据能够得到相对满意的数据更新率，提高控制系统整体的事件响应速度，降低控制系统的建设和维护成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，其特征在于，包括：
S1：对RS485总线上所有设备的参数设定访问优先级；
S2：设备数据访问行为封装；
S3：将所有设备参数形成访问对象链表；
S4：根据预先设定的设备参数访问优先级，对访问对象链表循环检索获取设备参数，并进行应用处理；
定时到期的三级优先对象未生效时，所述S4中访问对象链表循环检索获取设备参数的过程包括：
S401：初始化，清除所有执行对象的执行标志和次级优先执行标志，执行对象的标志或次级优先执行标志置位，表示该对象或该次级优先已经执行；否则，表示该对象或该次级优先未执行；
S402：获取执行对象链表中的首个执行对象；
S403：将当前检索对象的优先级类别记录在变量Prio中；
S404：判断Prio是否为一级优先，如果是，则执行S405；否则，执行S412；
S405：设置对象执行标志；
S406：执行访问对象，获得对应的设备参数并进行应用处理；
S407：通过指针pNext获取链表中的下一个执行对象；
S408：判断新获得的下一个执行对象有效，如果是，则返回到S403；否则，执行S409；
S409：判断所有二级优先执行对象是否全部执行过，如果是，则执行S411；否则，执行S410；
S410：清除次级优先执行标志，然后返回S402；
S411：清除链表中所有的二级优先执行对象的执行标志，执行S410；
S412：判断次级优先执行标志是否置位，如果未置位，则执行S413；否则，返回S407；
S413：判断Prio是否为二级优先，如果是，则执行S414；否则，执行S417；
S414：判断当前二级优先对象执行标志是否已经置位，如果已经置位执行S407；否则，执行S415；
S415：设置该二级优先对象的执行标志，准备执行该二级优先对象；
S416：设置次级优先执行标志，转跳到S405；
S417：检查定时执行对象的定时器有没有到期生效，如果到期生效，执行S418；如果没有到期生效，则转跳到S407；
S418：重置定时执行对象的定时器，然后执行S415。
2.根据权利要求1所述的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，其特征在于，所述S1中设备参数访问优先级划分为一级优先、二级优先和三级优先三个等级，其中，高实时性数据对应等级为一级优先、普通实时数据对应等级为二级优先、长周期定时数据对应等级为三级优先。
3.根据权利要求1所述的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，其特征在于，所述S2中设备数据采用Modbus通讯协议格式。
4.根据权利要求1所述的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，其特征在于，定时到期的三级优先对象生效时，所述S412的竞争过程包括：
S41201：判断次级优先执行标志是否置位，如果未置位，则执行S41202；否则，返回S407；
S41202：判断定时到期的三级优先对象和二级优先对象是否同时存在，如果是,执行S41203；如果不同时存在，执行S413；
S41203：定时到期的三级优先对象和二级优先对象竞争此次次级优先执行机会，如果定时到期的三级优先对象获得此次执行机会，执行S418；否则，执行S414。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于RS485通讯协议的高效数据采集方法，其特征在于，每次访问对象链表优先执行一级优先对象，并且仅执行一个次级优先对象，次级优先对象包括二级优先对象和定时到期的三级优先对象，在本次访问对象链表循环检索过程中未获得此次次级优先执行机会的二级优先对象或定时到期的三级优先对象，在下一次访问对象链表循环检索时，按链表中的顺序轮换执行另一个次级优先对象，直到所有的二级优先对象或定时到期的三级优先对象都执行完成。
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