高速串行总线的RS485串口通信接口设计范文
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摘要：工业现场存在大量RS5串口接入设备，然而一般处理器集成的RS5串口个数有限，难以满足实际应用需求。通过研究分析RS5串口的应用需求和变电站辅助设备的结构特点，提出一种基于高速串行总线的分布式RS5串口通信方式，重点讨论了通信协议设计和通信接口设计。采用该方案研制的变电站辅助设备，提高了RS5串口可扩展性，易于升级与维护。现场运行结果表明该方案的有效性和实用性。
关键词：串行高速总线；分布式；RS5串口；通信
RS5串口通信技术具有传输距离远、成本低、抗干扰能力强等优点，在计算机通信领域占有一席之地。但是由于RS5总线缺少总线仲裁，多对多会导致多个设备在总线上信号冲撞，所以只能构成一对一或一对多的通信网络，使其难以实现较为复杂的工业现场测控网络的构建［1］。控制器局域网网络（ControllerAreaNetwork，CAN）是应用最为广泛的工业现场总线之一，具有总线仲裁、高可靠性和高性能等特点，在变电站、矿山煤场、汽车等领域有广泛的应用［2－4］。但是CAN总线最高速率只有1Mbps，难以满足高速数据采集、通信的速率要求。高速串行总线（High－speedSerialBus，HSB）利用低压差分信号（LowVoltageDef-erentialSignaling，LVDS）的高速特点（最高1．23Gbps）来改进CAN总线的性能，其中CAN作为控制总线，LVDS作为数据总线，从而实现多点互联的大数据量高速通信的应用需求，在变电站等领域有广泛应用［5－6］。变电站内一次设备在线监测、火灾消防、安全防卫、动环系统等为变电站监控提供辅助支撑的设备，总称为辅助设备。辅助设备通过RS5接口接入火灾自动报警系统、温湿度传感器、空调控制器等外部监测和控制设备，实现对各种数据的采集接入和设备的控制［7－8］。然而一般的处理器集成的串口资源有限，难以满足使用需求，针对此问题，本文实现了一种基于高速串行总线的分布式串口扩展方式，可以根据使用需求快速扩展串口资源。
1系统概述
基于灵活硬件资源配置和硬件平台设计考虑，典型的变电站辅助设备装置硬件系统采用多板卡的分布式结构，由控制、数字量采集、模拟量采集和RS5通信等板卡组成，每个板卡可以根据需要进行多个配置，装置内部互联总线采用HSB总线，硬件总线架构图如图1所示。控制板卡是辅助设备的核心，通过HSB总线与其他板卡进行通信，对采集的数据进行计算处理，其中的FPGA模块实现HSB总线和千兆以太网总线控制，通过千兆以太网总线与CPU模块互联；CPU模块为ARMCortex－A7系列处理器，处理器包含4个CPU核心，主频1．2GHz，运行嵌入式Linux操作系统。RS5通信板卡包含8个RS5接口，用于接入RS5接口设备，其中的FPGA模块实现HSB总线控制和RS5总线控制功能。其他板卡与本文内容无关，限于篇幅不再赘述。RS5通信板卡的FPGA接收RS5报文后，添加HSB报文头后发送到HSB总线，控制板卡的FPGA从HSB总线接收HSB报文后，通过千兆以太网口上送CPU，由CPU进行HSB报文解包和计算处理，至此，完成一帧RS5报文的接收。控制板卡的CPU接收到RS5报文后，添加HSB报文头后通过千兆以太网口发送给FPGA，FPGA的HSB总线控制模块将HSB报文发送到HSB总线，RS5通信板卡的FPGA从HSB总线接到HSB报文后，从HSB报文中解析出RS5报文，并根据HSB报文头中的相关信息将RS5报文发送到指定的RS5接口，至此，完成一帧RS5报文的发送。
2通信协议设计
基于通信过程的复杂性和灵活性考虑，通常将通信协议划分为若干个层次，每个层次完成一部分功能，各个层次相互配合共同完成通信功能。控制板卡与RS5通信板卡间的通信基于HSB总线，依照分层通信体系结构，通信协议从下往上依次划分为数据链路层、HSB通信协议层和串口通信协议层，如图2所示。数据链路层的主要功能是帧编码和误差纠正控制。通过链路层协议来控制数据的传输，以保证被传输数据的正确性。使用千兆以太网协议作为链路层协议，不仅可以利用Linux操作系统现有的千兆以太网驱动和编程接口，减少开发工作量，而且可以利用Linux网络协议栈的NAPI收包、套接字缓存等特性［］，提高通信性能和稳定性。HSB通信协议层的主要功能是实现控制板卡与RS5通信板卡间的通信，也是本文讨论的重点。HSB通信协议报文的各字段定义如图3所示。报文目标节点地址、报文源节点地址、报文优先级、报文长度5个字段用于HSB的CAN总线控制，其中，报文目标节点地址字段表示通信的接收方，报文源节点地址字段表示通信的发送方，报文优先级字段用于CAN总线的发送优先级控制，报文长度字段用于指定HSB协议数据段的长度。报文类型、串口端口、串口配置3个字段用于HSB的RS5串口报文控制，其中，报文类型字段用于区分发送报文和接收报文，串口端口字段用于确定RS5通信板卡上的串口地址，串口配置字段用于确定串口的波特率和通信协议配置，该通信协议由1个起始位、5～个数据位、1～2个停止位、1个奇偶校验位组成。串口通信协议层的主要功能是实现各种应用功能。作为应用层协议，位于HSB报文的数据部分。常用的通信协议包括ModBus、ProfiBus协议等。
3通信接口设计
“一切皆是文件”是Unix／Linux的基本哲学之一，Linux常用文件接口包括打开、关闭、读、写等。基于此设计思想，RS5串口通信接口设计如下。COMOpen用于打开和初始化RS5通信板卡上的串口设备，其中slotid参数用于指定RS5通信板卡地址，devid参数用于指定串口端口地址，baud参数用于指定串口波特率，flags参数用于指定串口通信协议配置，接口返回打开的串口对象指针；COMClose用于关闭串口；COMWrite、COMRead分别用于串口报文发送和接收，其中dev参数用于指定已打开的串口对象，buf、len参数用于指定串口报文缓冲区的首地址和长度。structcom＿dev觹COMOpen(uint＿tslotid,uint＿tdevid,uint＿tbaud,uint＿tflags);intCOMClose(structcom＿dev觹dev);intCOMWrite(structcom＿dev觹dev,uint8＿t觹buf,uint＿tlen);intCOMRead(structcom＿dev觹dev,uint8＿t觹buf,uint＿tlen);
3．1串口打开和初始化
因为串口报文通过千兆以太网总线进入控制板卡的CPU，所以CPU通过网络接口设备与RS5通信板卡进行通信。首先通过socket接口打开千兆以太网接口网络接口设备，并绑定网络协议号，网络协议号由RS5通信板卡地址slotid和串口端口地址devid构造生成，通过网络协议号实现与指定RS5通信板卡的串口端口建立通信通道。接着设置报文接收超时的时间，避免读接口因为无报文而阻塞。然后创建并初始化串口设备对象，串口设备对象包含socket文件描述符、RS5通信板卡地址、串口地址和串口配置等信息，作为其他接口的参数，提供相关通信信息。最后发送一个数据长度为0的HSB报文，完成串口波特率和通信协议配置。
3．2串口报文发送
串口报文发送接口的核心工作是为串口报文添加HSB报文首部后发出。首先对串口设备对象、报文缓冲区的首地址和长度进行合法性检查，然后通过串口报文长度加上HSB报文首部长度计算出HSB报文长度，以此申请一个HSB报文缓冲区并初始化此HSB报文的目标节点地址、报文长度、报文类型、串口配置、数据段等各个发送相关字段，最后通过网络通信接口sendto发出HSB报文。
3．3串口报文接收
串口报文接收接口与串口报文发送接口的处理流程类似。首先对所有参数进行合法性检查，然后计算出HSB报文长度并申请一个HSB报文缓冲区，接着使用网络通信接口recvfrom接收到HSB报文，最后将接收到的HSB报文的数据段数据拷贝到串口报文接收缓冲区。
3．4串口关闭
串口关闭接口的主要功能是释放相关系统资源，如关闭socket接口、释放串口设备对象等。
4工程应用
本方案目前已应用到新一代的安防监控、消防信息传输控制等多个变电站辅助设备中。通过RS5通信板卡的RS5接口，与安防监控、火灾自动报警系统等终端的通信功能工作正常，通过RS5接口接入的扩展键盘、探测器和输出前端等设备，能正确实现报警信号、布撤防等数据交互。设备现场运行情况良好，所有功能工作稳定，性能符合装置技术指标要求。本方案提高设备的可扩展性，通信协议易于升级与维护，对低速通信总线的扩展具有一定参考价值。
作者：陈彬 陈从靖 单位：南京国电南自电网自动化有限公司
