接口协议精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇接口协议范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

CPU的选择方面，选用ADI公司专为要求低功耗工作的电池供电应用而推出的超低功耗精密模拟微控制器ADuCM361。工作电压为1.8V～3.6V，最低耗电电流4μA。内部集成了8通道24位ADC、可编程增益仪表放大器、精密带隙基准电压源、可编程电流源、灵活的多路复用器以及其它许多特性，省去了传统单片机系统信号放大、AD转换等常用电路，提高了系统集成度降低了功耗。ADuCM361内核为32位低功耗ARMCortex－M3处理器。内部集成128k字节非易失性flash/EE存储器、8k字节SRAM，以及一个支持有线(2xSPI、UART、)通信外设的11通道DMA控制器。HART变送器所有数字功能均由该处理器提供，灵活的时钟源可使器件的功耗达到最低，5种低功耗工作模式可以通过程序控制任意配置，并且一个中断事件可将系统从各种工作模式中迅速唤醒。由ADuCM361、AD5421和AD5700构成的HART物理层具体电路图如图2所示。AD5700与ADuCM361的UART通用串行接口信号包括来自UART的HART调制输入TXD、HART解调输出RXD、请求发送RTS————和载波检测CD;Loop+、Loop－分别接4mA－20mA电流环的正负;HART输出引脚HART_OUT通过容性分压器0.068μF/0.22μF调整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引脚，然后与DAC输出，一同驱动和调制输出电流;被耦合到LOOP+端的HART信号通过一个简单的有源RC滤波器输入到AD5700的ADC_IP引脚;DVDD为AD5421对外部提供的3.3V供电电压;AD5700通过一个RC滤波器(470Ω/1μF)供电，防止AD5700的电流噪声与4mA－20mA环路输出进行耦合;HART调制解调器的时钟由与XTAL1和XTAL2引脚直接相连的3.6864MHz外部晶振产生。

2HART协议通信软件设计

HART通信接口的软件设计包括AD5421的控制程序和HART协议通信程序。AD5421的控制程序主要是对环路电流4mA－20mA输出的控制和系统供电电压+3.3V输出的控制，较为简单。HART协议通信程序即为HART协议数据链路层和应用层的软件实现。HART协议通信遵从主从方式半双工通信，变送器作为从设备，除了处于突发模式外，只有在接收到主设备(上位机或手操器)发来的命令后才会作出应答。为了能及时接收到主设备发送的命令而又不影响主程序的正常运行，HART协议通信程序主要由串口接收发送中断实现。变送器在上电或看门狗复位后，首先主程序对HART协议通信部分进行初始化配置，包括设定ADuCM361内部UART模块工作方式、串行通信波特率、数据帧格式、清通信缓冲区、中断等，之后将其设置为等待状态，等待状态下，一旦上位机有命令发来，AD5700的载波检测口CD变为高电平，触发中断，启动接收并关闭载波检测中断，程序进入接收部分。命令帧数据接收完毕，经ADuCM361做出相应处理后，把要发回的应答帧内容放入通信缓冲区中，触发中断，进入发送程序，发回应答帧，由此完成一次命令的交换，然后再次进入等待状态，等待下一条主机命令。HART协议通信接口通过图3所示的中断调用子程序的方法，完成现场仪表和主机之间的通信，可以使主机完成对现场仪表的工作参数设置、测量结果读取、仪表状态检测等工作。

3应用效果

图4所示为HART变送器连线图，采样电阻RL(取值300Ω)串接于4mA－20mA回路中，将电流信号和HART信号转换为电压信号，通过RS232HART转换器与上位机通信。上位机软件采用第三方HART通信软件，测试结果表明可进行点对点HART通信，并能实现所支持的各条HART命令，在4mA－20mAHART总线上再接入一块第三方的HART涡轮流量计，也能正确进行多点HART通信，完全达到了HART协议技术要求。

4结束语

篇(2)

关键词：ARM；现场总线；ModBus协议；电平转换；驱动程序

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）19-4429-04

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备到控制、管理、驱动、开发的各个层次。而其中的现场总线技术是其主要的组成部分，直接关系到工业控制集成系统性能以及系统的稳定可靠。

现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、双向传输、多分支结构的串行通信网络。现场总线的关键标志是能够支持双向、多节点、总线式的全数字通信。

本设计的主要工作是采用基于ARM7内核的高性能处理器LPC2131作为主控芯片，并使用了专用的总线协议芯片AD2483，实现ModBus现场设备与异构系统之间的数据传输与协议转换。该协议转换模块系统框图如图1所示。

1 协议转换模块介绍

1.1 模块工作原理

协议转换模块的功能是完成现场ModBus设备数据的采集和数字化处理，并将转换后的结果通过异构系统的内部总线传送到上层控制系统。同时实现上层控制系统对现场设备的控制与配置。

该模块采用RS-485电平转换芯片，该芯片自带电气信号隔离，信号调理技术。该模块提供通信检测显示功能，可提供独立隔离的24VDC供电电源输出，用于现场ModBus设备的工作电源。图2为模块系统总体结构框图。

1.2 ModBus通讯规约

在各种不同的系统通信中，ModBus协议是一种在工业领域被广泛应用的、真正开放的、标准的网络通信协议，通过该协议，不同厂家的现场设备可以实现数据通信。

ModBus可编程控制器之间可以相互通讯，也可与不同网络上的其他设备进行通讯。网络信息存取可由控制器内置的端口，网络适配器和网关等设备实现。该协议定义了控制器能识别和使用的信息结构。当在ModBus网络上进行通讯时，协议能使每一台控制器知道它本身的设备地址，并识别对它寻址的数据，决定应起作用的类型，取出包含在信息中的数据和资料等，控制器也可组织回答信息，并使用ModBus协议将此信息传送出去。

在其他网络上使用时，数据包和数据帧中也包含着ModBus协议。网络控制器中有相应的应用程序库和驱动程序，实现嵌入式ModBus协议信息与此网络中用子节点设备间通讯的特殊信息帧的数据转换。

ModBus采用主从方式，若一台控制器作为主机设备发送一个信息，则可从一台从机设备返回一个响应，类似，当一台控制器接受信息时，它就组织一个从机设备的响应信息，并返回至原来发送信息的控制器。

2 硬件电路设计

2.1 电源电路

电源电路模块主要对模块的电源部分进行处理，将工控行业普遍采用的直流24VDC的输入转变为模块CPU需要的5VDC和3.3VDC，同时进行EMC防护。该模块在输入电压出增加了防雷击浪涌电路和支持热插拔电路，使用的主要器件是LT4356-1。电源电路图如图3：

LT4356-1浪涌抑制器可保护负载免遭高电压瞬变的损坏。它能够通过控制一个外部N沟道MOSFET的栅极以在过压过程中调节输出。输出被限制在一个安全的数值上，从而允许负载继续运行。LT4356-1还监视VCC和SNS引脚之间的电压降，以防止遭受过流故障的影响。一个内部放大器用于把电流检测电压限制为50mV。

2.2 主控电路

微控制器电路为ARM控制器的可靠稳定工作提供硬件环境，包括ARM控制器的时钟电路、复位电路等部分。复位电路采用上电复位方式，并且备有按键复位操作，方便用户调试使用。

2.3 电平转换电路

电路完成现场485信号与控制器LPC2131之间的电平转换功能。图4是RS-485转换电路。

RS-485转换电路采用485转换芯片ADM2483。

ADM2483是ADI（Analog device，inc）公司推出的基于其专利iCoupler磁隔离技术的隔离型RS-485收发芯片。内部集成了三通道的数字隔离器、带三态输出的差分驱动器和一个带三态输入的RS485差分接收器。节点数可允许多达256个，最高传输速率可达500Kbps。 iCoupler磁隔离技术是ADI公司的一项专利隔离技术，是一种基于芯片尺寸的变压器隔离技术，它采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术。所以，在性能、功耗、体积等各方面都有传统光电隔离器件（光耦）无法比拟的优势。ADM2483采用具有短路电流限制的限摆率驱动器，较低摆率降低了不恰当的终端匹配和接头产生的误码。集成的热关断电路可将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。

3 软件程序设计

系统上电后，协议转换模块需要系统初始化，初始化操作主要完成系统各个软件模块的准备工作已经相应接口的驱动程序。之后要进行写入指令和写入数据的步骤。

整个软件结构由几个主要的软件的模块组成，分别是main（）函数，get_order（）函数和exchange（）函数。

3.1 main（）函数设计说明

该函数为整个软件架构的主函数，在进入主函数之前，由编译器自动加载了硬件的堆栈和中断向量配置文件。当配置完成后，程序自动跳入主函数开始执行。主函数的代码为顺序执行，模块除数据通信功能的其他所有功能都在主函数中实现，图5是主函数的程序流程图。

3.2 get_order（）函数设计说明

get_order（）函数作用是将异构系统总线收到的数据转换到ModBus发送缓冲区中准备发送给现场的ModBus设备。在转换时要严格按照标准ModBus-RTU格式进行。图6是该函数的程序流程图。

3.3 exchange（）函数设计说明

exchange（）函数作用与get_order（）函数刚好相反，exchange（）函数将现场ModBus设备采集到的数据按照异构系统总线协议方式存入到主控制器中。

4 结论

本文通过基于ARM内核的高速微处理器LPC2131的ModBus协议转换模块进行介绍，在此基础上完成了硬件设计与软件搭建，通过编写控制器软件程序实现了现场ModBus设备与异构系统的数据通信和电平转换。实践结果表明，该设计硬件结构简单，运行稳定可靠，软件开发周期短，满足现场设备数据通信以及协议接口驱动的需要。

参考文献：

[1] 蒲靖荣，杜开勋，朱占青，等.基于网络和ModBus协议的远程监控系统[J].自动化仪表，2009，30（7）：52-57.

[2] 马忠梅，籍顺心，张凯，等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：290-291.

[3] 李海涛，仪维，吴筱坚，等.PIC单片机应用开发典型模块[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4] 卢颖，钟联炯.以太网交换机运行机制及其仿真研究[J].西安工业学院学报，2004，24（1）.

篇(3)

关键词：网关；物联网；设施农业

在设施农业中应用物联网技术，可以对设施农业进行升级，提高设施农业的现代化水平，实现智能农业，比如在远程就可实时监控生产环境的温湿度、光照等情况，可实现天窗开闭、风机运行和水帘降温等程序的远程控制或自动控制。在实施物联网过程种也存在一些问题：1）在物联网的三层架构体系中，包含传感器的感知层的信息种类较大，比如有温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等，传感器的类型较多，它们的接口和协议也是多种多样，比如模拟接口、RS485接口、ZigBee接口；2）不同类型的通信技术都只能各自组网，通信的接收端必须有对应通信发送端的接收器才能完成数据通信，因此控制中心的计算机需要连接不同的接收器接入不同的传感器的网络，还需要解析不同的协议；3）传感器网络的通信技术，比如Zigbee、RS485等属于近距离通信，如果要传输数据到远程服务器，就需要增加设备进行网络转换；4）大量传感器接入到服务器，会增加服务器的负担，需要更高性能的服务器。物联网网关是连接感知层和网络层的关键节点设备，是物联网的重要设备，具有网络转换、协议转换、数据交换等功能，使用物联网网关可以简化物联网的设计和实施，可以解决上述问题。

1系统总体结构和功能配置

1.1系统结构和原理

本方案的物联网网关，由上行通信接口、下行通信接口、主控模块等部分组成（见图1）。1）上行通信接口，连接远程服务器（云端系统）、用户终端，在硬件上主要包括上行通信模块、接口电路，在软件上主要包括模块驱动程序、上行通信协议处理程序。2）下行通信接口，连接传感器、控制器等设备终端，在硬件上主要包括下行通信模块、接口电路，在软件上主要包括模块驱动程序、下行通信协议处理程序。3）主控模块是网关的核心部分，在硬件上由高级单片机和外围接口电路构成，在软件上主要包括数据转发程序、协议转换程序等。上行接口主要是连接远程服务，需要使用远程通信技术，主要包括Internet通信、移动通信等。上行通信模块主要包括用于接入Internet网络的以太网通信模块、WiFi通信模块，用于接入移动通信网络的GPRS通信模块、4G通信模块、NB-IOT通信模块等。下行接口主要是连接传感器和控制器，一般使用的是短距离通信技术，主要包括RS485、ZigBee、WiFi、LoRa等；而对于4～20mA等模拟量的设备，并不直接接入网关，需要一个变送器或采集器进行转换，以数字通信的方式接入到网关。下行通信模块主要包括RS485通信模块、ZigBee通信模块、WiFi通信模块、Lora通信模块等。主控模块通过UART、SPI、I2C等接口和上行通信模块、下行通信模块连接，通信模块由主控模块进行配置和控制。网关的工作原理如下：网关通过WiFi或RS485等下行通信接口连接到传感器终端或风机、遮阳等控制器，通过WiFi或以太网等上行通信接口接入到Internet网络或局域网连接远程服务器；服务器的数据或指令通过上行接口传输到主控模块，主控模块根据上行通信协议取出数据后，进行处理，根据下行协议重新打包，经下行通信接口转发到传感器终端、控制器；传感器终端、控制器的数据，由下行接口上传到主控模块经处理后转发到上行接口，传输到远程服务器。在此过程中，网关完成了网络转换、协议转换、数据转发等功能。

1.2系统功能配置

本方案的网关功能配置如下：1）上行接口：具有1个WiFi接口、1个以太网接口，支持TCP/UDP、HTTP通信协议，采用Client工作模式，可通过上行接口连接远程服务器。2）下行接口：具有1个RS485接口，半双工、波特率可配置、主站工作模式，支持Modbus通信协议；具有1个WiFi接口，主站工作模式，支持TCP/UDP、Modbus通信协议，可通过下行接口接入传感器或控制器。3）工作电压：DC5V；4）指示灯：电源指示灯、通信指示灯、状态指示灯。

2硬件和软件的设计

本方案的网关采用模块化设计，通信模块直接选用市面上已有的通信模块，需要根据选定的具体通信模块设计接口电路、编写模块驱动程序。

2.1硬件设计

2.1.1主控模块主控模块以32位高级单片机STM32F407ZG为控制核心，该单片机使用3.3VDC工作电源，具有1024kB的flashROM、192kB的RAM，并支持通过FSMC接口扩展RAM，具有3个I2C接口、6个UART接口、2个SPI接口、1个SDIO接口，内部RTC模块。

2.1.2上行通信接口上行通信模块主要包括1个WiFi通信、1个以太网通信模块。其中WiFi通信模块使用ESP8266通信模块，通过UART连接到主控模块的UART3；以太网通信模块使用W5500通信模块，通过SPI连接到主控模块的SPI2。

2.1.3下行通信接口下行通信模块主要包括1个WiFi通信模块、1个RS485通信模块。其中WiFi通信模块使用USR-WIFI232-XXX通信模块，通过UART连接到主控模块的UART2；RS485通信模块使用MAX485通信模块，连接到主控模块的UART4。

2.1.4存储、显示部分主控模块通过FSMC接口连接IS62WV51216扩展RAM，可存储512k双字节（1024kB）大小的数据，用于在协议处理、数据转发过程的变量存储；通过I2C接口I2C1连接EPROM存储器24C02，可存储256×8（2kbits）大小的数据，用于存储配置参数；通过SDIO连接SD卡，用于存储运行中产生的数据。网关具有1个电源指示灯、1个运行状态指示灯、1个上行接口通信指示灯、1个下行接口通信指示灯，主控模块通过4个IO口驱动4个LED灯。除了指示灯，没有其他显示器件，可通过调试串口或者上行接口查询系统信息和状态。主控模块的UART1作为调试串口。

2.1.5电源部分电源部分使用外接5VDC稳压电源，负载能力不小于10W。通过电源接口接入电路板，在电路板上通过LDO稳压电路输出3.3VDC稳压电源作为工作电源。

2.2软件设计

2.2.1软件设计的主要内容和方案软件设计主要包括：通信接口驱动程序、模块的驱动程序、通信协议处理程序、配置程序、数据采集程序、数据转发程序，完成通信接口接入、远程连接、网络转换、协议转换、数据转发。由于RTOS实时操作系统在系统层已经实现了任务的调度，在多任务系统开发中比较有优势，同时本方案的硬件支持运行RTOS，因此采用基于RTOS进行开发。

2.2.2软件的层次结构采用分层结构进行软件设计，软件的结构从下到上分成：硬件驱动层、模块驱动层、网络通信层、应用层。硬件驱动层完成对硬件的配置和驱动，包括系统时钟的配置、IO的配置、UART接口的驱动、SPI接口的驱动、I2C接口的驱动、FSMC接口的驱动等。模块驱动层完成对通信模块、存储模块等外接模块的配置和驱动，包括上行接口中的WiFi通信模块、以太网通信模块的驱动，下行接口中的WiFi通信模块、RS485通信模块等的驱动，存储模块的驱动等。网络通信层完成网络连接和数据传输、协议的处理，包括RS485通信、TCP/UDP、HTTP、Modbus等。应用层完成业务功能，包括系统配置、协议转换、数据转发、信息采集、数据存储等。

2.2.3任务的分配和调度系统使用了FREE—RTOS实时操作系统，在RTOS系统层采用分时调度的方式实现系统线程（简称线程）的切换。系统分配6个线程，各线程优先级一致，由RTOS系统分时调度，将各种业务定义成不同的业务任务（简称任务），每个线程执行一个或多个业务任务。线程1完成系统配置、系统监测、系统指示任务；线程2完成上行接口处理任务；线程3完成下行接口处理任务；线程4完成协议转换、数据转发任务；线程5完成数据存储任务；线程6完成信息采集任务。由于各个线程是无限循环并且是并行执行的，为了对各个线程进行监测，取一个状态字并为每个线程设定一个状态位。每个线程在循环一轮都给对应的状态位置位，线程1每隔100ms要对各个线程的状态位进行检测。如果所有线程对应的状态位都置位，则清零状态字并驱动状态指示灯亮或灭。因此系统正常运行时，状态指示灯是闪烁的。

3主要功能的设计

接入功能、数据转发功能、协议转换功能，是网关要实现的主要功能。

3.1上行接口的设计

上行接口主要是连接远程服务，需要使用远程通信技术，使用的通信协议是TCP/UDP，以及基于TCP/UDP的HTTP、Modbus等。TCP/UDP属于传输层协议，由通信模块实现，在模块驱动层通过对模块的配置，可以启动相关功能，因此在硬件设计上，需要选择支持TCP/UDP功能的通信模块。本系统所用的上行通信模块均支持TCP/UDP功能，其中WiFi通信模块通过UART通信使用相应的AT指令进行配置，以太网通信模块通过SPI通信配置模块相应的寄存器进行配置。HTTP、Modbus等运行在TCP之上，属于应用层协议，由主控模块实现，通过协议处理程序完成。HTTP协议在Web应用中得到广泛的应用；Modbus协议在工业领域广泛应用，是工业电子设备之间常用的连接方式。通过上行接口，实现以下功能：1）使用的是HTTP协议对网关参数的配置和查询：网关实现一个WebServer，可以处理HTTP协议的GET方法请求。通过浏览器打开配置页面对参数进行查询和配置，网关作为TCPServer，需要打开监听端口。2）使用Modbus协议将传感器数据传输到服务器：网关作为TCPClient连接到TCPServer，由服务器发起请求网关作为从设备响应数据。Modbus协议有专门的TCP格式，这里只是将TCP作为数据链路，报文使用的是Modbus-RTU格式。

3.2下行接口的设计

下行接口主要是连接传感器、下级网关，包括1个WiFi接口、1个RS485接口。WiFi接口配置成AP模式，下级网关的上行WiFi以及采用WiFi通信的传感器可以连接到到这个AP。在通信上，配置成TCPServer，打开监听端口，下级网关、传感器作为TCPClient连接到这个端口，使用TCP协议进行数据传输。由于RS485通信是半双工的，模块需要配置成主机模式，由网关发起通信。RS485通信的校验位和波特率等参数设计成可配置以适应实际设备的通信参数。在往下行接口发送数据的时候，会发送到所有通过WiFi接口连接的传感器、通过RS485接口连接的传感器以及通过WiFi接口连接的下级网关。

3.3数据转发和协议转换功能的设计

数据转发指的是将数据从下行接口转发到上行接口，或将数据从上行接口转发到下行接口。在转发的过程中，由于两个接口的通信协议不用，需要根据接收口的协议将数据接收读取解析出来，经过一定的处理后，按发送口的通信协议重新打包发送，这个就是协议转换。整个过程就是实现对数据的接收、解包、处理、封装、转发。网关采用多种可配置的模式实现对数据的转发，运行的时候根据配置执行下列模式中的一个模式：模式1为直接透传模式。运行此模式的时候，系统将上行接口的数据直接转发到下行接口，由于下行接口有多个端口，数据将依次转发到各个端口，下行接口的数据也依次直接转发到上行接口。模式2为协议透传模式。运行此模式的时候，会对收到的数据进行协议核对，符合Modbus协议格式的数据将被转发，不符合的数据将在本地被处理：按其他协议处理或丢弃。

3.4级联功能的设计

级联功能可以给系统带来灵活性，通过级联功能可以实现：通信的中继进而达到延长通信距离的功能；分级扩展进而达到扩大接入能力的功能；分组接入进而提高系统性能和简化系统管理。本系统的级联功能通过WiFi通信接口实现：本级网关的上行WiFi模块打开STA模式，上级网关的下行WiFi模块打开AP模式；本级网关的上行WiFi接入到上级网关的下行WiFi；上级网关把本机网关看成一个传感器终端，本机网关把上级网关看成一个服务器；按正常的模式进行数据转发和协议转换。级联之后的系统，只有一个顶级网关连接到服务器。从顶级网关看，所有的传感器设备都是连接在本网关的下行WiFi接口上，可以把下级的级联网关看成透明的。

篇(4)

IEC60870-5-104协议（以下简称104协议）是国际电工委员会在IEC60870-5-101协议的基础上，为适应网络传输而制定的远动通信协议。它不仅可以应用在集控中心与变电站、集控中心与调度端，而且完全适用于变电站内的通信网。104协议在物理层、链路层、网络层、传输层采用RFC2200协议。RFC2200是标准的TCP/IP协议子集，因此104协议适合在基于TCP/IP协议的高带宽网络上传输。104协议最大优点是具有实时性好、可靠性高、数据传输流量大、便于信息扩展、支持网络传输等特点。104协议在应用层采用APCI（应用协议控制信息）传输接口（见图3）。根据APCI控制域格式，104协议报文有3种类型：用于编号的信息传输（I格式）、编号的监视功能（S格式）和未编号的控制功能（U格式）。I格式帧：控制域第1个八位位组组的第一位比特=0。I格式的APDU包含1个ASDU（应用数据服务单元）。S格式帧：控制域第1个八位位组的第1个比特位=1，且第2个比特位=0。S帧只包括APCI。U格式帧：控制域第1个八位位组的第1个比特位=1，且第2个比特位=1。U帧也只包括APCI。104协议通过发送序号N(S)和接收序号N(R)机制来防止报文的丢失和报文的重复。当通信双方建立连接后，双方开始数据传输。发送方每发送1个I格式报文，其发送序号加1，接收方每接收到一个与其接收序号相等的I格式报文后，其接收序号也加1。接收方通过比较接收到的I格式报文发送序号N(S)与自己的接收序号R(S)是否相等来判断是否存在报文丢失或重传的情况。当接收方收到发送序号大于自己接收序号的I格式报文时，意味着报文在经过网络传输时存在丢包。当接收方收到发送序号小于自己接收序号的I格式报文时，意味着报文在经过网络传输时存在重传。当接收方收到正确的I格式报文时，向发送方发送S格式报文进行确认。如果发送方的I格式报文长时间没有在对方的接收序号中得到确认，则意味着发生了报文丢失或网络中断。

提高电气监控系统实时性的优化方法

提高电气监控系统实时性的方法有多种，总体可分为升级电气监控系统硬件和优化软件算法两方面。本文采用软件上对网络通信协议进行优化的方法，实现电气监控系统实时性能的提升。

（一）IEC60870-5-103协议的实时性优化

国际标准的103协议电气接口有2种，一种为光纤接口，另一种是EIARS485接口。光纤传输具有抗干扰能力强，传输速度快等优点。当继电保护装置与监控系统在同一个变电站内或距离较近时，光纤接口与EIARS485接口的传输速度差别可忽略不计。采用光纤接口和EIARS485接口在通信链路拓扑上是相同的，因此光纤接口与EIARS485接口的分析方法是一致的。下面重点对EIARS485接口进行分析。EIARS485接口是一种三线制半双工接口，在一个时间点只能进行信号的接收或者发送，即信号收发不能同时进行。在工程上常采用图4的通信拓扑结构。EIARS485总线上并联的3个继电保护装置轮流获得通信权，向通信前置机发送数据。继电保护装置的数据能否尽快地传送给通信前置机，取决于获得通信权的时间间隔。基于这样的机制，就会出现如果一个继电保护装置传输多个信号时，将会占据比较长的传输时间。特别是当发生大面积电气故障时，继电保护装置可能会产生较多的变位信号。如果按一个继电保护装置上传5个遥信信号计算，传输这5个变位遥信信号要通过至少20帧报文才能完成。为保证继电保护装置的信号能实时传输给通信前置机，在考虑EIARS485接口连接继电保护装置的数量时，就需要计算极端情况下，在EIARS485接口中继电保护装置信号传输的最大延时。计算EIARS485数据的传输延时，本文参考国标GB/T18657.2-2002中的非平衡传输过程进行计算。

（二）IEC60870-5-104协议的实时性优化

104协议是基于以太网传输的，以太网RJ45接口是一种平衡传输的全双工接口。影响104协议实时性的主要有2个因素：一是以太网的传输性能。这是由网络拓扑结构和以太网带宽决定的。二是104协议报文的信号携带效率。下面主要通过对第二个因素优化来提高104协议的实时性。104协议通过I格式帧进行数据传输。104协议中规定一个ASDU在不超过249个字节时，既可以传输一个信号（如开关变位信号），也可以传输一组信号（包含多个遥信信号）。在现有的监控系统104协议使用中，一个I个格式帧通常只传输一个变位遥信信号。如果能够做到在一个I个格式帧内尽可能传输多个数据，无疑提高了信号的传输效率。本文认为可以采用一个I个格式帧包含5~10个遥信变位信号。这样传输虽然增加了I个格式帧的长度（增加了15~50个字节），但对于100M以太网的传输性能来说，增加15~50个字节的影响可以忽略不计。采用这种方法传输后，原先传输500个遥信变位信号需要1000帧报文（一个遥信变位包括一帧遥信变位报文和一帧SOE报文），现在只需要500帧报文，传输延时可节约接近1半。

提高电气监控系统可靠性的优化方法

电气监控系统可靠性主要依靠通信前置机、数据服务器、远动机等设备的冗余配置和通信网络的冗余配置实现。在现有的使用过程中，硬件虽然冗余配置，但冗余设备之间的相互无扰无缝切换却是一直存在的问题。本文通过优化网络通信协议应用，使通信前置机冗余切换和通信网络冗余切换的可靠性得到提高，从而提升电气监控系统的可靠性。

（一）IEC60870-5-103协议双机热备接口切换

103协议在采用EIARS485接口时，一个EIARS485接口只能有1台主机，即2台通信前置机不能通过同一个EIARS485接口向1台继电保护装置发送报文。为提高103协议传输的可靠性，本文认为可将2台通信前置机的所有EIARS485接口并接运行。1台通信前置机处于工作状态（向继电保护装置发送和接收报文），另1台通信前置机处于热备状态（通过该EIARS485接口，只接收工作状态通信前置机与继电保护装置的通信报文）。当热备状态通信前置机检测到工作状态前置机的任何一个EIARS485接口通信中断（该EIARS485接口没有通信报文）时，热备状态前置机接过该EIARS485接口的主机地位，通过该EIARS485接口向继电保护装置发送和接收报文。此时，工作状态通信前置机则放弃该EIARS485接口的主机地位，从而实现IEC60870-5-103协议双机热备接口切换。

（二）IEC60870-5-104协议双以太网（双通道）并行数据传输

现有的监控系统大多都采用通信前置机、数据服务器、远动机和以太网的冗余配置。冗余配置大大提高了信号传输的可靠性。但目前常用的双机双网切换机制都为“硬切换”，即正常情况下冗余的两台通信前置机中只有其中一台使用冗余通信网络中的一条与远动机或服务器进行通信。当正常运行的前置机发生故障或者正常运行的通信网络中断时，通信切换到冗余的另一台通信前置机或另一条通信网络。但是使用这种机制最大的缺点是：通信前置机的切换和通信网络的切换是通过通信前置机内部软件进行判断实现的，切换过程通信是中断的，无法做到无扰连续切换。2008年，IECSC65WG15了IEC62439高可用性自动化网络协议，其中IEC62439-3规定的并行冗余协议（PRP），提出了将设备连接在具有相同特性并列运行的2个LAN网络结构上，在设备上实现冗余网络通信的数据处理。

IEC60870-5-104协议没有规定如何使用冗余通信网络进行数据传输。如果采用并行冗余协议（PRP），需要在各设备内部增加链路冗余体（LRE）进行冗余网络通信的数据处理。但传统变电站现有的监控系统设备并不具有这样的功能结构。如果采用并行冗余协议（PRP），无疑需要重新设计现有的监控系统设备。本文根据并行冗余协议（PRP）的通信原理和104协议的通信机制，在不改动现有设备的基础上，对现有的104协议的通信方式进行修改，从而实现104协议在冗余网络上的并行数据传输。

下面以通信前置机与远动机通信为例，介绍104协议并行数据传输方法（如图5）。在通信前置机和远动机的104协议程序中定义冗余传输的以太网口A和以太网口B。在以太网口A与以太网口B冗余并列通信时，双方链路初始化结束后，总召换和对时报文均由远动机通过以太网口A启动，通信前置机通过这2个以太网口，以相同的报文（包括相同的发送序号和数据内容）向远动机发送报文。远动机则同时从本机冗余传输的以太网口A和以太网口B读取报文，判断2个以太网口收到报文的发送序号，舍弃发送序号较小的报文。如果其中一条以太网链路发生翻动（因路由器或交换机的原因导致通信链路短时中断）时，通信前置机与远动机对这条以太网链路重新进行通信链路初始化（如图6）。初始化结束后，通信前置机并不将该条链路报文的发送序号置0，而是使用与另一正常链路相同的报文（包括发送序号和数据内容）继续发送，从而保证在冗余的通信网路上进行数据的同步传输。

结论

篇(5)

【关键词】串口通信协议 远程维护系统 研究

为了可以实现对一些比较重要的设备进行远程监测以及维修养护，并实现无人监视和无人控制的最终目标，需要建设并完善与之有关的维护系统。建设起远程维护的系统，首先要做的就是处理装备信息接口的统一性，打造比较统一的通讯协议方面的问题。在计算机的控制下，串行通信接口为非常主要的接口，结合装备实际情况来实现计算机与装备间的通讯和交流，进而实现数据的传输。

1 分析并建立串口通讯协议

1.1 分析

整体上来看，串口通讯协议设计主要是在面向连接服务的基础之上的。任何装备对于通信协议的标准都是不同的，这是因为各个研制装备的单位往往都会结合自身的需求以及实际设计型号来制定的，对于信息帧结构也有较多不同的种类，同时在通讯协议中，各个部分内容当中位数也有一定的差异，对数据进行编码的方式自然也不一样。所以，并不能实现不同装备之间信息共享的操作。另外，还有一部分装备并没有设置信息接口，导致设备数据无法进行传输，自然就无法实现远程控制设备。

1.2 建立

结合装备运行的实际情况，制定通讯协议需要令其能够实现对远程设备进行控制以及维护的功能，还要在此基础之上确保空间充足，以便设备进行功能扩展，在通讯协议当中，还需要拥有控制设备、监视参数、设置参数等有一定关联的内容。对现有装备所拥有的通讯协议进行分析和设计的基础之上，构建出能够满足装备的实际情况的一个通讯协议规范，它可以比较严格地对信息帧格式和其他的帧格式之间位数展开规定，按照协议，可以将其分成五类不同的帧结构，不同的帧结构设计类型都会和硬件间优化融合综合起来进行考虑。

2 设计分析五种帧结构

2.1 握手类

这种帧结构直接将设备和接口连接起来，信息接口会定时传送询问帧到设备当中，假如此时装备处于开启状态，装备就会将回应帧传输给接口，在接口收到回应帧之后，双帧联动，就能够实现数据的传输，达到远程控制的目的。

2.2 控制类

这种帧结构将控制功能的实现作为主要目的，它可以对设备进行诸如开机或者关机等控制操作，在进入到这种状态下的时候，接口需要先向整个设备输送控制帧，在设备收到之后，就可以立刻执行这些控制类帧当中的指定命令，并且发送回应帧给接口，待接口收到之后，就可以标记这项操作任务已经完成了。

2.3 检测类

这种帧结构能够很好地实现检测类的相关功能，正确利用检测帧，我们能够对设备的各项系统参数以及运转状态展开系统的检测，在被控制的设备收到接口所传输的监测帧之后，结合信息帧当中的请求，向信息接口传输拥有监测内容的对应帧。在设备接收了这一对应帧之后就会在短时间内立刻进行信息整合，与此同时对其进行分析，保证数据信息高度的安全以及稳定。

2.4 维护类

这种帧结构针对的是拥有维护性能的设备所适用的，它能够对受到控制的设备参数进行必要的设置，进而实现远程维护设备。其具体的操作流程如下：信息接口先向对应设备传输要进行读取的设备参数的信息帧，设备收到了信息帧后，结合信息帧当中所涵盖的内容，传输响应帧到接口当中，这一过程当中，响应帧当中包括信息帧当中全部消息内容，在接口收到了响应帧之后，结合响应帧当中的消息，对消息进行适当的修改以及设置，全部完成之后，可以向设备传输维护类的帧，在设备收到维护帧后，就可以依照维护帧当中的一些信息来对设备进行适当的维护以及设置操作。

2.5 补充类

通常来说这种帧结构都是在设备以及接口间进行信息帧传输的过程当中，结合传输的信息帧长度、帧结构以及数据的字节数来进行精准判断。不过，假如数据长度太大，不能通过一帧来进行传输的时候，就需要借助补充帧结构的作用。先发送并没有进行校验的帧，随后自动传送，在接口收到包含在补充信息帧当中的命令后，就可以标记这次数据通讯活动完毕。

3 传输数据和远程维护系统具体实现

3.1 传输数据的流程

微机传输请求信息，到达设备之后，被控制的设备会先对信息帧进行解码处理，结合协议当中的有关规范，在存储器当中适当地抽取需要的消息，再通过ARM来进行适当的处理，结合规定当中的格式，借助串口，通过信息帧的形式来发送需要的数据信息，到达微机之后，微机接收信息帧，借助其中远程维护软件和协议当中所规定的格式来解码信息帧，从中提取有效的信息，在相应的区域当中显示指定的数据信息。

3.2 实现远程维护系统

整体上来说，远程维护控制这一系统的主要结构包括远程维护中心、网络组成软件以及设备接口信息终端这样的三个部分所组成，它可以很好地实现对各个被控制的设备进行监视以及维护的目的，通过信息之间的相互传输以及对彼此信息进行破解的过程来实现信息分析，进而能够及时且有效地实现对被控设备进行远程监控的目的，继而对已经有的问题进行适当的预警和提示，继而实现远程维护设备和远程控制设备的最终目的，这一系统的组成可以用图1来展示。

4 结语

设计串口通讯协议，可以起到规范化通讯协议，并统一提供理论支持的作用，可以将装备当中的串口通讯协议进行统一，与此同时，还给装备远程维护的控制系统打造了比较理想的理论平台，针对装备使用和发挥正常效能来说拥有比较现实的意义和价值。

参考文献

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[5]贾本凯，庄卉，王国平，等.卫星小站远程监控系统通信协议设计与实现[J].计算机测量与控制，2012（08）.

作者单位

篇(6)

论文摘要：现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE总线等。

智能化配电系统就是通信网络把众多的带有通信接口的中、低压开关和控制设备与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型配电系统。智能化配电系统一般由主计算机、通信网络、智能化开关和控制设备三部分组成。

从目前国内外智能化配电系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUS－DP、MODBUS、LONWORKS等，而FF、HART、CAN等现场总线在智能化配电系统中应用则较少。以上系统基本上都是采用单一的现场总线技术，即整个智能化配电系统中只采用一种现场总线，整个系统构造比较单一。

随着自动化技术和通信技术的发展，带有通信接口的产品应用量越来越大，而且随着用户对配电系统可靠性和灵活性的更高要求，加上各现场总线本身的特点以及相关的产品品种繁多，因此在一些工程的智能化配电系统中，采用一种现场总线总线的智能化产品往往不能满足应用的全面要求，多现场总线产品共存于一个智能化配电系统已成为一个现实的问题。

由于多现场总线系统中不同类型的产品均配专用的通信协议，有的厂家还专门为自己的产品开发了专用的通信卡、通信控制器等专用设备，因此，整个系统中的产品由于通信协议不同无法直接和主控单元进行通信，这严重防碍了用户的选择。对用户而言，如果在一个智能化配电系统中每一种智能化产品均选择其专用的通信卡或通信控制器，一个智能化系统将变得支离破碎，组态性和灵活性均较差，而且在系统进行改造或升级时，将要花费用户更多的时间和费用。因此，多现场总线技术在一个智能化配电系统中的应用已成为一个重要的研究课题。

1 多现场总线技术

目前，在一些工程中通常的做法是在某种现场总线的基础上开发能连接其他公司现场总线的接口产品。由于现场总线国际标准尚未建立，多种类型的现场总线枚不胜数，需要开发大量的接口产品才能满足不同工程需要。如果仅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五种著名现场总线为例，要使它们中任意两种不同现场总线能统一于一个智能化配电系统中，仅是协议转换器这种接口产品就要有二十种之多，如果一个系统中有三种或三种以上不同现场总线产品，那麻烦则更大。不少企业，包括一些国际上的大公司为了解决来自不同厂家的产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。

针对上述在智能化配电系统开发中遇到的实际问题，我们提出了通用型现场总线协议控制器这种全面的解决方案，通过硬件和软件的方法共同对现场总线协议进行处理，解决智能化配电系统中多现场总线的兼容性问题，其目的是为了能将不同现场总线的产品和谐地融入一个系统中，充分发挥不同产品的长处，为那些希望使用不同厂家优质产品的用户提供更大的灵活性。

通用型现场总线协议控制器是现场级的通用通信管理设备，由它把各个现场设备连成网络，并负责现场设备上位机之间的信息传递。由于其是通用性的，只需通过相应的CPU及接口电路和软件就可以完成多种现场总线协议的转换，实现与不同厂家的现场设备进行通信。

2 现场总线协议控制器

通过多种方案的比较，采用模块化结构和多CPU工作方式来设计通用型现场总线协议控制器。因为模块化的结构可以使系统有较强的扩展能力，为系统将来的升级换代带来便利。

通用型现场总线协议控制器主要由底板和插卡组成，其中底板带有电源以及扩展槽和固定支架等，并且系统总线也是在底板，扩展槽和底板上的信号线构成。插卡分三种，分别为主控板、协议板、接口板，其中主控板和协议板带CPU。主控板负责管理整个系统以及与上位机的通信，通用型现场总线协议控制器通过RS232接口与上位机连接，主控板通过它与上位机进行信息交换，主要包括：管理系统总线，给协议板和接口板分配系统资源，与协议板进行信息交换，对来自协议板的数据进行处理，等待上位机提取。协议板是通用型现场总线协议控制器的关键部分，所有与现场设备的通信都由它完成。协议板可以提供多种现场总线协议，一般一块协议板只能进行一种现场总线协议的通信。接口板从属于某一协议板，为协议板提供通信接口。用户可以根据实际情况进行选择，接口种类有RS232、RS422、RS485等。通用型现场总线协议控制器与上位机以及与现场设备的通信都采用串行方式，而通信控制器内部各插卡之间通过系统总线来完成。其中主控板与各协议板的通信采用主从式。主控板通过系统总线分别与协议板进行通信，各协议板之间不能进行通信。

通信过程如下：主控板在系统总线上，通过广播方式发送协议板号来呼叫与之通信的协议板，每块协议板上有协议板号识别电路，只有与发送的协议板号相符的协议板才响应主控板，从而实现主控板与协议板的通信。当用户增加新的协议设备时，不必改动硬件，只需在增加的新的协议板上设置好协议板号，并在上位机的组态中添加相应的系统信息存入计算机即可。协议板和接口之间的信息传递通过系统中的局部总线来完成。

3 应用实例

通用型现场总线协议控制器已经在我们最新开发的CE2000电站综合自动化系统中完成，并与多种产品进行了通信联网试验。系统中的主要产品有：美国西屋公司采用INCOM（MODBUS）通信协议的智能化产品、德国西门子公司和德国默勒公司采用PROFIBUS－DP通信协议的智能化产品、南京因泰来公司采用其内部通信协议INTBUS的综合数字保护继电器产品。

整个系统由配各种智能化开关柜的硬件系统和软件系统两部分组成。硬件包括各种智能化开关柜、通用型现场总线协议控制器、上位控制计算机。软件由主控程序、通讯界面和人机界面三部分组成。根据以上硬件设备的配置情况，在上位机上输入系统配置信息，通过串行口传递给控制器主板。主控板将系统配置信息分类传递给各协议板，各协议板收到系统信息后与所属硬件设备进行通信，将采集到的数据经主控板传送到上位机，并通过主控板接受上位机命令。

4 结束语

篇(7)

关键词 计算机；网络；体系；机构

中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）69-0185-02

0引言

几十年来，计算机网络发展相当迅速。但计算机网络的实现要解决很多复杂的技术问题：支持多种通信介质，比如双绞线、同轴电缆、光纤、微波、红外线等；支持多厂商、异构互联，包括软件的通信约定以及硬件接口的规范；支持多种业务，比如批处理、交互分时、数据库等；支持高级人机接口，满足人们对多媒体日益增长的需求。正如结构化程序设计中对复杂问题的模块化分层处理一样，在处理计算机网络这种复杂系统时所采用的方法就是把复杂的大系统分层处理，每层完成特定功能，各层协调起来实现整个网络系统的功能。计算机网络体系结构就是介绍计算机网络中普遍采用的层次化网络研究方法。

1计算机网络体系结构的基本概念

1.1通信协议

在网络系统中，为了满足数据通信的双方准确无误的进行通信，这就需要我们根据在通信过程中产生的各种问题，制定一系列的通信双方必须遵守的规定，这就是我们所说的通信协议。从通信协议的表现形式来看，它规定了交互双方用于通信的一系列语言法则和语言意义，这些相关的协议能够规范各个功能部件在通信过程中的正确操作。

1.2实体

每层的具体功能是由该层的实体完成的。所谓实体是指能在某一层中具有数据收发能力的活动单元（元素）。一般就是该层的软件进程或者实现该层协议的硬件单元。在不同系统上同一层的实体互称为对等实体。

1.3接口

上下层之间交换信息通过接口来实现。一般使上下层之间传输信息量尽可能少，这样使两层之间保持其功能的相对独立性。

1.4服务

服务就是网络中各层向其相邻上层提供的一组功能集合，是相邻两层之间的界面。因为在网络的各个分层机构中的单方面依靠关系，使得在网络中相互邻近层之间的相关界面也是单向性的：下层作为服务的提供者，上层作为服务的接受者。上层实体必须通过下次的相关服务访问点（Service Access Point，SAP），才能够获得下层的服务。SAP作为上层与下层进行访问的服务场所，每一个SAP都会有有自己的一个标识，并且每个层间接口可以有多个SAP。

1.5服务原语

网络中的各种服务是通过相应的语言进行描述的，这些服务原语可以帮助用户访问相应的服务，也可以像用户报告发生的相应事件。

服务原语可以带着不同的参数，这些参数可以指明需要与那台服务器相连、服务器的类别、和准备在这次连接上所使用的数据长度。假如被呼叫的用户不同意呼叫用户建立的连接数据大小，它会在一个“连接响应”原语中提出一个新的建议，呼叫的一方能够从“连接确认”的原语中得知情况。这样的整个过程细节就是协议内容的一部分。

1.6数据单元

在网络中信息传送的单位称为数据单元。数据单元可分为：协议数据单元（PDU）、接口数据单元（IDU）和服务数据单元（SDU）。

1）协议数据单元

不同系统某层对等实体为实现该层协议所交换的信息单位，称为该层协议数据单。

其中：协议控制信息，是为实现协议而在传送的数据的首部或尾部加的控制信息，如地址、差错控制信息、序号信息等；用户数据为实体提供服务而为上层传送的信息。考虑到协议的要求，如时延、效率等因素，对协议数据单元的大小一般都有所限制。

2）服务数据单元

上层服务用户要求服务提供者传递的逻辑数据单元称为服务数据单元。考虑到协议数据单元对长度的限制，协议数据单元中的用户数据部分可能会对服务数据单元进行分段或合并。

3）接口数据单元

在同一系统的相邻两层实体的一次交互中，经过层间接口的信息单元，称为接口数据单元。

其中，接口控制信息是协议在通过层间接口时，需要加一些控制信息，如通过多少字节或要求的服务质量等，它只对协议数据单元通过接口时有作用，进入下层后丢弃；接口数据为通过接口传送的信息内容。

1.7网络体系结构

网络体系结构就是以完成不同计算机之间的通信合作为目标，把需要连接的每个计算机相互连接的功用分成明确的层次，在结构里面它规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务。实际上网络体系结构就是用分层研究方法定义的计算机网络各层的功能、各层协议以及接口的集合。

2网络体系结构的分层原理

当今社会上存在这各个年代、各个厂家、各个类型的计算机系统，如果将这不同的系统进行连接就必须遵守某种互联标准规则。为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都是按照层的方式来组织的。

在网络的各个不同分层结构中，每一层都要服务于它的上层，并且呀说明服务对象的相应接口，上层只不过是利用下层所提供的服务和相关的功能，不用知道下面的层次为了此次服务到底采用了什么样的方法和相关的协议，下层也仅仅是知道上面一个层次传送过来了什么参数，这就是层次间的无关性。处在各个不同的系统里面的相同层次之间的实体之间没有什么直接的相互通信的能力，它们的通信必须经过相邻近的下面层次和更加下层的各种通信来完成。分层结构的优点如下：

1）独立性强。各个层次之间有具体的分工，独立性是指被分层的具有相对独立功能的每一层只要知道下面的层次能够为自己提供的服务是什么和自己向上面一个层次能够提供什么服务就好，不用知道下面的层次为自己提供的服务需要什么方式；

2）适应性强。层与层之间是相互独立的，一层内部发生了变化并不影响与他相连接的其它各层；

3）易于实现和维护。整个大的系统进行分层后，一个复杂的系统被分解成很多个功能单一、范围较小的子系统，每一个层次仅仅实现了与自己相关的功能，不仅仅让复杂的系统变得清晰明了，也是网络系统中各个环节的实现和调试变得简单和容易。

3结论

计算机网络的体系复杂，各个层次间的联系多种多样，相信只要学习好现有的体系结构，一定能够应对各种网路体系问题，由于作者本身经验和知识层次的欠缺，文中难免会出现不合理之处，望作者批评指正。

参考文献