CN1123168C - 测控装置内部传输网络通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测控单元通信管理方法，现有技术中采用多CPU并行方式，其缺点是没有改变信息的传输手段和机制。本发明装置包括各个部件详见说明书。由于本发明采用了通信与测控功能相结合，这样用测控单元中的通信管理装置完成了间隔内外的通信功能，取消了现有的通信管理机。同时，在技术上也消除了现有通信管理机对重要测控信息实时响应的瓶颈；将嵌入式以太网技术、LonWorks现场总线技术、CAN总线技术有机结合，把三种技术集成在同一个通信管理装置上，同时由于采用了冗余设计技术，提高了网络通信的可靠性，因此，本发明的通信管理装置具有结构简单、功能多和可靠性高的优点和效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信方法，特别是涉及一种在变电站测量控制装置中的装置内部各功能模块之间采用现场总线网络进行数据交换的通信方法。
背景技术
传统DCS的测控装置采用单CPU扩展硬件的方案，其主控制器(CPU)与各采集模块之间依靠并行总线相连，而这些模块本身均无智能处理。这种结构存在硬件接口复杂、不易扩展、可靠性差(由于并行总线的紧耦合作用，各个模块之间的相互影响相当大，一旦某模块出现异常，往往连带其他模块也出现异常)且对CPU的处理能力要求太高等问题。
随着变电站综合自动化系统的日益普及，对测控装置的要求也越来越高，实时性、快速性、可配置性已成为对新一代测控装置的基本要求。即测控装置应能实时采集、直接上送，所有采集量必须保持时间上的同步，根据用户不同需求可方便地增加测量、控制通道等。
目前测控装置较流行的做法是采用多CPU并行工作方式，各功能CPU板独立完成采集功能，再由专用CPU负责数据传输。CPU之间采用串行通信、一主多从的轮询方式，即由一块专用CPU负责与各功能CPU进行数据交换。这种轮询方式的采用便成了装置内部信息传输的瓶颈，通信速率不易提高且功能CPU不能灵活配置。要彻底解决这个问题，必须改变信息的传输手段和机制。
发明内容
本发明的目的就是克服上述缺点，提供一种用于装置内部数据传输的新方法——在装置内部采用智能现场总线通信网CAN，它可大大提高专用CPU与各功能CPU之间的通信速率并使功能CPU可做到灵活配置。本发明涉及一种测控装置内部传输网络通信方法，该方法采用的通信系统包括一个主管理微处理器，它与两个CAN网连接，用于控制管理该通信系统；多个插件也与两个CAN网连接，每一个插件都包含一个微处理器，通过两个CAN网使得主管理微处理器与每一个插件之间进行纵向报文信息的通信，以及每一个插件与每一个插件之间进行横向报文信息的通信，其特征至于：上述的通信方法包括以下步骤：采用标准帧格式，用报文信息传送的源及目标地址组成其标识符；根据各功能插件所需完成任务的重要性来分配地址，地址编码越小的节点其报文收发的优先级越高；对CAN网及发送信箱、接收信箱、接收缓冲区和发送缓冲区进行初始化；采用中断方式发送和接收报文信息；采用CAN诊断方式对上述信息进行处理。所述的插件为交流测量插件、直流测温插件、开入插件和开出插件；所述报文信息传送的源及目标地址均放在标识符里；所述的分配优先级为按各功能插件所需完成任务的重要性来分配地址，编码越小的节点其报文收发的优先级越高；所述的中断方式接收的步骤进一步包括指向该信箱对应的接收队列和指针、将接收到的数据放入接收队列并修改该队列的指针、判断帧标志、判断帧标志是否为单、读取报文、刷新该接收队列及其指针以及进行和校验的步骤；所述的中断方式发送的步骤进一步包括指向发送缓冲区及其指针、求数据区长度、检查数据区长度是否等于零、清发送缓冲区及其指针、判断数据区长度是否大于8、设置帧标志为“单帧”、设置帧标志为“多帧”、清发送信箱配置、组装待发送的标识及数据场和刷新发送缓冲区指针的步骤；所述的采用CAN诊断方式对上述信息进行处理的步骤进一步包括读CAN状态检查错误原因、判断是否总线错误、告警、判断是否总线无源、复位、判断是否总线断开、重新初始化CAN及收发信箱以及返回的步骤。
将现场总线技术用于装置内部各功能模块之间的数据交换。将通信双方的源地址及目标地址均放在标识符内，这样装置内各插件均可借助报文滤波决定该帧报文是否使它们激活。在装置内部采用双CAN通信机制以提高通信的可靠性。
智能通信网络以其高速、可靠、多点、多变量、双向、互联等特点已被广泛应用于各种控制领域，而将它应用于测控装置内部作为各CPU板之间的通信手段，则是一种新颖的构想。
与一般的控制网络相比，CAN总线是一种用于工业自动化领域的网络，它的物理特性及网络协议更强调工业自动化的底层监控，其特点是可靠性极高、具有很强的抗干扰能力。另外，CAN的通信速率相当高，当网络线的长度不超过40m时，其通信速率可达1MBPS，性能远高于RS485、Bitbus等。由于CAN的媒体访问机制是带有优先级的CSMA/CD方式，而且其占线侦测是非破坏性的，因此可以将CAN理解为一种优先级抢占方式的实时网络。另外，由于CAN所采用的信息格式为短帧结构，所以对于最高优先级的通信请求来说，在1MBPS的通信速率时，最长的等待时间仅为0.15ms，完全可以满足现场控制级的实时性要求。
利用本发明可使装置内部各个功能模块和主控模块之间仅通过网络线实现连接，大大降低了各个模块之间相互影响的程度。由于各个功能模块均为可以独立运行的智能模块，它们与主控模块之间仅有数字信号的交换，没有现场信号的连接，而且CAN网上某节点出现严重错误时能具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，这样即使某个功能模块因遭到现场干扰的破坏或其他原因而失效，也不会影响到主控模块及其他功能模块，提高了系统的可靠性。同时，由于各功能模块的智能化，相关处理在各CPU插件上实现，减轻了主控模块CPU的负担，各模块在处理过程中可随时进行自诊断，从而提高了系统的可维护性。
CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。每帧信息都有CRC校验，保证了数据出错率极低。CAN网络上任何一节点均可作为主节点与其他节点交换数据，这就解决了串行通信中的从节点无法主动地与其他节点交换数据的问题，这样各插件之间很容易做到数据共享；CAN网络节点的信息帧可分出优先级，这样很好解决了重要信息及时上送的问题；CAN网络的物理层及链路层采用独特的设计技术，使其抗干扰、错误检测能力很强。
CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点(组广播)及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。特别是用在变电站测量控制装置中，可很好地满足实时性、快速性要求，具有功能模块清晰、配置灵活多样等优点。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图1为本发明的双CAN网通信方法采用的通信系统图；
图2为本发明的ID标识符用法的示意图；
图3为本发明的CAN数据帧组成示意图；
图4为本发明的装置内各插件地址分配示意图；
图5为本发明的CAN初始化程序流程图；
图6为本发明的CAN接收中断程序流程图；
图7为本发明的CAN发送函数流程图；
图8为本发明的CAN发送中断流程图；
图9为本发明的CAN诊断任务处理程序流程图；
图10A和图10B为本发明的交流测量CPU与管理CPU通信示意图；
图11为本发明的交流测量CPU数据主动上送程序流程图；
图12为本发明的交流测量CPU响应召唤数据上送程序流程图；
图13为本发明的开入开出横向数据交换示意图；
图14为本发明的开出插件CAN接收中断程序流程图；
图15为本发明的开出插件主循环程序流程图
图16为本发明的开入采样中断程序流程图。
具体实施例
图1示出了本发明的双CAN网通信方法采用的通信系统图；为进一步提高数据传输的可靠性，使重要数据能及时上送不至丢失，我们在装置内部采用了双CAN网通信机制，如图1所示。其中标号103为管理CPU，标号104为交流测量插件，标号105为直流测温插件，标号106为开入插件，标号107为开出插件。各插件之间通过标号分别为101、102的两个CAN网连接。
双CAN网有两种用法，现分述如下：
1.一网工作，一网备份
通常情况下只有标号为101的A网进行数据传输，当A网出现故障不能正常工作时，装置自动切换到标号为102的B网进行工作，同时通信系统发出通信异常的告警信号。
2.双网同时工作
标号为101、102两网同时工作时，但各网上传送的数据不同。一般数据报文在标号为101的A网传送，重要命令及事故报文放在标号为102的B网传送，以保证快速相应。当其中一网通信异常时，可通过另一网络发出告警信号。
图2为本发明的中ID标识符用法的示意图，在CAN技术规范2.0B中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的称为标准帧，而包括29位标识符的称为扩展帧。报文滤波是以整个标识符为基准的，屏蔽寄存器可用于选择一组标识符，屏蔽寄存器每一位都是可编程的。为尽可能提高CAN网传送速度，我们采用的是标准帧格式，为充分利用8个字节有效数据，我们将报文传送的源及目标地址均放在标识符里，这样每帧报文的8个字节均可作为有效数据传送，参见图2。
其中源地址及目标地址均有5个位(32个)，用于装置内部插件地址分配已足够。帧性质占1位，用于标识当前帧为单帧或结束帧(0)还是后续帧(1)。这样各插件通过屏蔽寄存器就可直接取到与自己相关的报文，而不用进入应用层后再判断该命令是否对自己操作，从而大大提高了通信效率。
图3为CAN数据帧组成示意图。根据CAN通讯协议，每个报文的优先级体现在其仲裁场上。如图3所示，标准数据帧的仲裁场由11位标识符和远程发送请求位(RTR)组成，仲裁场编码越小的帧优先级别越高。当报文发送发生冲突时，各CAN控制器检测网上的仲裁场，系统总是让仲裁场编码优先级高的报文先发送出来。我们利用这个特征，将功能板的地址按优先级分配，而每条报文按照其目的地址和源地址填写仲裁场，达到了网上报文按优先级分类的目的。这样，在通讯过程中，当遇到报文发送冲突时，重要的报文(如开出命令等)其优先级别较高，总是先发送出来，然后再发送优先级低的报文(如测量报文)。
图4为本发明的装置内各插件地址分配示意图；各插件具体地址分配如下：00000(0)为测控单元的广播地址，00001(1)为开出插件组地址，00010(2)至00101(5)分别为开出插件1至4的地址，00110(6)为开入插件组地址，00111(7)至01010(10)分别为开入插件1至4的地址，01011(11)为直流测温插件组地址，01100(12)和01101(13)分别为直流测温插件1和2的地址，01110(14)为MASTER插件组地址，01111(15)和10000(16)分别为MASTER插件1和2的地址，10001(17)为交流插件组地址，10010(18)至10101(21)分别为交流插件1至4的地址，10110(22)至11111(31)均为备用。
CAN通信的应用包括三个部分：
1、初始化：初始化包括CAN网的初始化，如波特率的设置等。初始化在两处进行，一是上电初始化，一是检验到故障时进行初始化。图5为本发明的CAN初始化程序流程图。首先从步骤S501开始，进入步骤S502初始化CAN网，接着进入步骤S503初始化发送信箱，然后进入步骤S504初始化接收信箱，接着进入步骤S505初始化接收缓冲区，最后进入步骤S506初始化发送缓冲区，这样完成全部初始化的步骤。
2、收发任务的完成，采用中断方式进行。图6为本发明的CAN接收中断程序流程图。首先从步骤S601开始，进入步骤S602判断接收信箱号，接着进入步骤S603指向该信箱对应的接收队列和指针，然后进入步骤S604将接收到的数据放入接收队列并修改该队列的指针，然后进入步骤S605判断帧标志，接着进入步骤S506帧标志为单吗？如果判断结果是否定的，则进入步骤S613返回，如果判断结果是肯定的，则进入步骤S607读取报文，然后进入步骤S608刷新该接收队列及其指针，接着进入步骤S609进行和校验，在步骤S610检查校验通过否？如果判断结果是否定的，则进入步骤S612返回“接收错误”报文，然后进入步骤S613返回，如果判断结果是肯定的，则进入步骤S611执行报文，然后也进入步骤S613返回，这样就完成了接收中断的任务。
图7为本发明的CAN发送函数程序流程图，首先从步骤S701开始，然后进入步骤S702指向报文发送缓冲区，然后在步骤S703检查数据区长度是否大于8？如果判断结果是否定的，则进入步骤S705设置帧标志为“单帧”，然后经过步骤S706数据场长度等于数据区长度后进入步骤S708，如果判断结果是肯定的，则进入步骤S704设置帧标志为“多帧”，然后经过步骤S707数据场长度等于8后，程序也进入步骤S708判断信箱1是否空闲？如果判断结果是否定的，程序进入步骤S710判断信箱2是否空闲？如果信箱2也不空闲，则进入步骤S712指出报“发送出错”并进入步骤S717返回。如果信箱2空闲则程序经过步骤S711指向信箱2进入步骤S713，如果在步骤S708判断的结果是肯定的，则程序经过步骤S709指向信箱1也进入步骤S713清发送信箱配置，然后进入步骤S714组装待发送的标识及数据场，再经过步骤S715发送出去。然后经过步骤S716刷新发送缓冲区指针后进入步骤S717返回，这样就完成了本发明的CAN发送函数的流程。
图8为本发明的CAN发送中断程序流程图。首先从步骤S801开始，然后进入步骤S802指向发送缓冲区及其指针，经过步骤S803求数据区长度，然后在步骤S804检查数据区长度是否等于零，如果判断结果是否定的，则进入步骤S805清发送缓冲区及其指针，如果检查数据区长度等于零，则程序进入步骤S806数据区长度是否大于8？如果判断结果是否定的，则进入步骤S807设置帧标志为“单帧”，然后经过步骤S808数据场长度等于数据区长度后进入步骤S811，如果判断结果是肯定的，则进入步骤S809设置帧标志为“多帧”，然后经过步骤S810数据场长度等于8后进入步骤S811清发送信箱配置，然后进入步骤S812组装待发送的标识及数据场，再经过步骤S813发送出去。然后经过步骤S814刷新发送缓冲区指针后进入步骤S815返回，这样就完成了本发明的CAN发送中断的流程。
3.CAN的诊断任务，当CAN控制器诊断到一定次数的错误时进入诊断任务处理程序。图9为本发明的CAN诊断任务处理程序流程图。首先从步骤S901开始，然后进入步骤S902读CAN状态检查错误原因，在步骤S903判断是否总线(BUS)错误？如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S904告警后到步骤S909返回，如果判断结果是否定的，则程序进入步骤S905判断是否总线无源？如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S906CAN复位并进入步骤S909，如果判断结果是否定的，则程序进入步骤S907判断是否总线断开？如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S908重新初始化CAN及收发信箱并进入步骤S909返回，如果判断结果是否定的，则程序进入步骤S909返回。这样该程序就完成了本发明的CAN诊断任务处理程序的全部步骤。
图10A和图10B为本发明的交流测量CPU与管理CPU通信示意图。在装置内部存在纵向(上行、下行)和横向两种报文传输。主管理CPU103与交流测量插件104、直流测温插件105、开入插件106、开出插件107之间采用上、下行报文传输，交流测量插件104、直流测温插件105、开入插件106、开出插件107相互之间采用横向报文传输。
1.纵向报文
以MASTER管理CPU103与交流测量插件104之间的报文传输说明纵向报文用法。如图10A所示，交流测量插件104可通过CAN网实时主动上送测量信息，也可响应管理CPU103的数据召唤，将所要数据整理上送。图11为本发明的交流测量CPU数据主动上送程序流程图。首先从步骤S1101开始，接着进入步骤S1102计算测量量，然后进入步骤S1103进行越限检查，在步骤S1104判断是否有越限，如果判断的结果是否定的，则直接返回。如果判断结果是肯定的，程序进入步骤S1105组织测量量发送报文，接着是步骤S1106修改发送缓冲区指针，经过步骤S1107调报文发送函数(广播方式)后，返回主程序。这样就完成了本发明的交流测量CPU数据主动上送程序的流程。
2.横向报文
采用此种报文主要是利用了CAN节点之间平等传输的功能，将一些重要的变化信息快速、及时地传给目的节点，而不需要经过管理CPU中转以提高响应速度。以开入插件106和开出插件107之间的报文传输说明横向报文用法。图12为本发明的交流测量CPU响应召唤数据上送(以召唤测量量为例)程序流程图。首先从步骤S1201开始，接着进入步骤S1202报文解析，然后进入步骤S1203提取源地址，在步骤S1204判断是否调测量量？，如果判断的结果是否定的，则进入步骤S1205返回主程序，如果判断结果是肯定的，程序进入步骤S1206读测量量缓冲区，接着在步骤S1207填写目标地址，然后进入步骤S1208组织测量量报文，接着是步骤S1209修改发送缓冲区指针，经过步骤S1210调发送函数后，然后进入返回调用函数。这样就完成了本发明的交流测量CPU响应召唤数据上送程序的流程。
图13为本发明的开入开出横向数据交换示意图。开出插件107收到管理CPU103下发的遥控命令后，执行出口跳闸命令，但开出板本身无法判断命令有无正确出口、相应跳闸继电器有无动作，只有靠开入插件106将变位信息送上来，才能将执行正确与否信息上送给管理CPU103。开入插件106检测到某路开入变位后，可将变位信息以广播方式送到CAN网上，也可分两帧信息分别发送给管理CPU103及开出插件107的CPU。
图14为本发明的开出插件CAN接收中断程序流程图。从步骤S1401接收报文中断开始进入步骤S1402接收一帧数据并送入报文接收缓冲区，在步骤S1403判断是否接收完一帧完整命令帧？如果该判断是否定的，则程序进入步骤S1404中断返回，如果判断是肯定的，则程序进入步骤S1405判断命令帧是否有效？如果该判断是否定的，则程序进入步骤S1404中断返回，如果判断是肯定的，则程序进入步骤有三种情况，第一种情况是进入步骤S1406遥控收回，然后进入步骤S1409校验正确并立即执行闭合命令，经过S1413置该路遥控收回正确标志，清该路遥控执行正确标志及相应计算单元后，则程序进入步骤S1415中断返回。第二种情况是进入步骤S1407遥控执行，然后进入步骤S1410校验正确并立即执行开出命令，经过S1414置该路正在执行遥控命令标志后，则程序进入步骤S1415中断返回。第三种情况是进入步骤S1408开入变位，然后进入步骤S1411判断开出继电器是否对应的开入变位？如果判断结果是否定的，则程序进入步骤S1412中断返回，如果判断结果是肯定的，则经过步骤S1415置该路遥控执行正确标志后，则程序进入步骤S1415中断返回。这样就完成了本发明的开出插件CAN接收中断程序的流程。
图15为本发明的开出插件主循环程序流程图。从步骤S1501开始，判断该路是否正在执行遥控命令？如果判断结果是否定的，则进入步骤S1507路数加一，再判断该路是否在执行遥控命令，如果判断的结果是肯定的，程序进入步骤S1502判断遥控是否超时？如果判断是肯定的程序进入步骤S1505开出收回，然后经过步骤S1506填写开出命令执行出错报文后，程序回到S1501？，如果在步骤S1502的判断是肯定的，则程序进入步骤S1503该路遥控命令执行是否正确？如果判断的结果是否定的，则程序也经过步骤S1505和S1506进入S1507路数加一，再返回S1501。如果判断的结果是肯定的，则程序经过步骤S1504填写开出命令执行正确报文后进入S1507。这样就完成了本发明的开出插件主循环程序的流程。
图16为本发明的开入采样中断程序流程图。程序首先从步骤S1601中断入口开始，然后进入步骤S1602读取当前开入，经过步骤S1603与原状态异或得到开入变位字节，然后进入步骤S1604判断是否有变位？如果判断结果是否定的，程序进入步骤S1611，如果判断结果是肯定的，程序进入步骤S1605记录变位时刻，更新存放当前开入的缓冲单元。接着程序进入步骤S1606根据配置表及定值表置电铃笛位，然后经过步骤S1607CAN发送缓冲区填写状态量报文，目标地址分别为管理CPU及开出CPU后，进入步骤S1608判断是否需送SOE报文？如果判断的结果是肯定的，程序进入步骤S1609填SOE报文，置有SOE报文需发送标志，然后进入步骤S1611；如果判断结果是否定的，程序也进入步骤S1611判断该组开入处理是否完成？如果判断结果是否定的，程序经过步骤S1612取下一路开入状态量后进入步骤S1604，如果判断结果是肯定的，则进入步骤S1613判断所有开入处理是否完成？如果判断结果是否定的，程序经过步骤S1610取下一组开入状态量后进入步骤S1604，如果判断结果是肯定的，则进入步骤S1614返回。这样就完成了本发明的开入采样中断程序的流程。
根据以上的详细描述可知，由于本发明在装置内部采用了智能通信网络，废除了传统的串行通信机制，使得硬件接口复杂、扩展困难、可靠性低、通信速度慢等一系列问题迎刃而解，装置的性能得以极大提高。
Claims (6)
1、一种测控装置内部传输网络通信方法，该方法采用的通信系统包括一个主管理微处理器，它与两个CAN网连接，用于控制管理该通信系统；多个功能插件也与两个CAN网连接，每一个插件都包含一个微处理器，通过两个CAN网使得主管理微处理器与每一个插件之间进行纵向报文信息的通信，以及各功能插件之间进行横向报文信息的通信，其特征至于：上述的通信方法包括以下步骤：
采用标准帧格式，用报文信息传送的源及目标地址组成其标识符；
根据各功能插件所需完成任务的重要性来分配地址，地址编码越小的其收发报文的优先级别越高；
对CAN网及发送信箱、接收信箱、接收缓冲区和发送缓冲区进行初始化；
采用中断方式发送和接收报文信息；
采用CAN诊断方式对上述信息进行处理。
2、根据权利要求1所述的通信方法，其特征至于：所述的插件为交流测量插件、直流测温插件、开入插件和开出插件。
3、根据权利要求2所述的通信方法，其特征至于：所述报文信息传送的源及目标地址均放在标识符里。
4、根据权利要求3所述的通信方法，其特征至于：所述的分配优先级为根据各功能插件所需完成任务的重要性来分配地址，编码越小的节点其报文收发的优先级越高。
5、根据权利要求4所述的通信方法，其特征至于：所述的中断方式接收的步骤进一步包括指向该信箱对应的接收队列和指针、将接收到的数据放入接收队列并修改该队列的指针、判断帧标志、判断帧标志是否为单、读取报文、刷新该接收队列及其指针以及进行和校验的步骤；所述的中断方式发送的步骤进一步包括指向发送缓冲区及其指针、求数据区长度、检查数据区长度是否等于零、清发送缓冲区及其指针、判断数据区长度是否大于8、设置帧标志为“单帧”、设置帧标志为“多帧”、清发送信箱配置、组装待发送的标识及数据场和刷新发送缓冲区指针的步骤。
6、根据权利要求5所述的通信方法，其特征至于：所述的采用CAN诊断方式对上述信息进行处理的步骤进一步包括读CAN状态检查错误原因、判断是否总线错误、告警、判断是否总线无源、复位、判断是否总线断开、重新初始化CAN及收发信箱以及返回的步骤。
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