本站小編為你精心準備了高速串行總線的RS485串口通信接口設計參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：工業現場存在大量RS5串口接入設備，然而一般處理器集成的RS5串口個數有限，難以滿足實際應用需求。通過研究分析RS5串口的應用需求和變電站輔助設備的結構特點，提出一種基于高速串行總線的分布式RS5串口通信方式，重點討論了通信協議設計和通信接口設計。采用該方案研制的變電站輔助設備，提高了RS5串口可擴展性，易于升級與維護。現場運行結果表明該方案的有效性和實用性。

關鍵詞：串行高速總線；分布式；RS5串口；通信

RS5串口通信技術具有傳輸距離遠、成本低、抗干擾能力強等優點，在計算機通信領域占有一席之地。但是由于RS5總線缺少總線仲裁，多對多會導致多個設備在總線上信號沖撞，所以只能構成一對一或一對多的通信網絡，使其難以實現較為復雜的工業現場測控網絡的構建［1］。控制器局域網網絡（ControllerAreaNetwork，CAN）是應用最為廣泛的工業現場總線之一，具有總線仲裁、高可靠性和高性能等特點，在變電站、礦山煤場、汽車等領域有廣泛的應用［2－4］。但是CAN總線最高速率只有1Mbps，難以滿足高速數據采集、通信的速率要求。高速串行總線（High－speedSerialBus，HSB）利用低壓差分信號（LowVoltageDef-erentialSignaling，LVDS）的高速特點（最高1．23Gbps）來改進CAN總線的性能，其中CAN作為控制總線，LVDS作為數據總線，從而實現多點互聯的大數據量高速通信的應用需求，在變電站等領域有廣泛應用［5－6］。變電站內一次設備在線監測、火災消防、安全防衛、動環系統等為變電站監控提供輔助支撐的設備，總稱為輔助設備。輔助設備通過RS5接口接入火災自動報警系統、溫濕度傳感器、空調控制器等外部監測和控制設備，實現對各種數據的采集接入和設備的控制［7－8］。然而一般的處理器集成的串口資源有限，難以滿足使用需求，針對此問題，本文實現了一種基于高速串行總線的分布式串口擴展方式，可以根據使用需求快速擴展串口資源。

1系統概述

基于靈活硬件資源配置和硬件平臺設計考慮，典型的變電站輔助設備裝置硬件系統采用多板卡的分布式結構，由控制、數字量采集、模擬量采集和RS5通信等板卡組成，每個板卡可以根據需要進行多個配置，裝置內部互聯總線采用HSB總線，硬件總線架構圖如圖1所示。控制板卡是輔助設備的核心，通過HSB總線與其他板卡進行通信，對采集的數據進行計算處理，其中的FPGA模塊實現HSB總線和千兆以太網總線控制，通過千兆以太網總線與CPU模塊互聯；CPU模塊為ARMCortex－A7系列處理器，處理器包含4個CPU核心，主頻1．2GHz，運行嵌入式Linux操作系統。RS5通信板卡包含8個RS5接口，用于接入RS5接口設備，其中的FPGA模塊實現HSB總線控制和RS5總線控制功能。其他板卡與本文內容無關，限于篇幅不再贅述。RS5通信板卡的FPGA接收RS5報文后，添加HSB報文頭后發送到HSB總線，控制板卡的FPGA從HSB總線接收HSB報文后，通過千兆以太網口上送CPU，由CPU進行HSB報文解包和計算處理，至此，完成一幀RS5報文的接收。控制板卡的CPU接收到RS5報文后，添加HSB報文頭后通過千兆以太網口發送給FPGA，FPGA的HSB總線控制模塊將HSB報文發送到HSB總線，RS5通信板卡的FPGA從HSB總線接到HSB報文后，從HSB報文中解析出RS5報文，并根據HSB報文頭中的相關信息將RS5報文發送到指定的RS5接口，至此，完成一幀RS5報文的發送。

2通信協議設計

基于通信過程的復雜性和靈活性考慮，通常將通信協議劃分為若干個層次，每個層次完成一部分功能，各個層次相互配合共同完成通信功能。控制板卡與RS5通信板卡間的通信基于HSB總線，依照分層通信體系結構，通信協議從下往上依次劃分為數據鏈路層、HSB通信協議層和串口通信協議層，如圖2所示。數據鏈路層的主要功能是幀編碼和誤差糾正控制。通過鏈路層協議來控制數據的傳輸，以保證被傳輸數據的正確性。使用千兆以太網協議作為鏈路層協議，不僅可以利用Linux操作系統現有的千兆以太網驅動和編程接口，減少開發工作量，而且可以利用Linux網絡協議棧的NAPI收包、套接字緩存等特性［］，提高通信性能和穩定性。HSB通信協議層的主要功能是實現控制板卡與RS5通信板卡間的通信，也是本文討論的重點。HSB通信協議報文的各字段定義如圖3所示。報文目標節點地址、報文源節點地址、報文優先級、報文長度5個字段用于HSB的CAN總線控制，其中，報文目標節點地址字段表示通信的接收方，報文源節點地址字段表示通信的發送方，報文優先級字段用于CAN總線的發送優先級控制，報文長度字段用于指定HSB協議數據段的長度。報文類型、串口端口、串口配置3個字段用于HSB的RS5串口報文控制，其中，報文類型字段用于區分發送報文和接收報文，串口端口字段用于確定RS5通信板卡上的串口地址，串口配置字段用于確定串口的波特率和通信協議配置，該通信協議由1個起始位、5～個數據位、1～2個停止位、1個奇偶校驗位組成。串口通信協議層的主要功能是實現各種應用功能。作為應用層協議，位于HSB報文的數據部分。常用的通信協議包括ModBus、ProfiBus協議等。

3通信接口設計

“一切皆是文件”是Unix／Linux的基本哲學之一，Linux常用文件接口包括打開、關閉、讀、寫等。基于此設計思想，RS5串口通信接口設計如下。COMOpen用于打開和初始化RS5通信板卡上的串口設備，其中slotid參數用于指定RS5通信板卡地址，devid參數用于指定串口端口地址，baud參數用于指定串口波特率，flags參數用于指定串口通信協議配置，接口返回打開的串口對象指針；COMClose用于關閉串口；COMWrite、COMRead分別用于串口報文發送和接收，其中dev參數用于指定已打開的串口對象，buf、len參數用于指定串口報文緩沖區的首地址和長度。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串口打開和初始化

因為串口報文通過千兆以太網總線進入控制板卡的CPU，所以CPU通過網絡接口設備與RS5通信板卡進行通信。首先通過socket接口打開千兆以太網接口網絡接口設備，并綁定網絡協議號，網絡協議號由RS5通信板卡地址slotid和串口端口地址devid構造生成，通過網絡協議號實現與指定RS5通信板卡的串口端口建立通信通道。接著設置報文接收超時的時間，避免讀接口因為無報文而阻塞。然后創建并初始化串口設備對象，串口設備對象包含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，作為其他接口的參數，提供相關通信信息。最后發送一個數據長度為0的HSB報文，完成串口波特率和通信協議配置。

3．2串口報文發送

串口報文發送接口的核心工作是為串口報文添加HSB報文首部后發出。首先對串口設備對象、報文緩沖區的首地址和長度進行合法性檢查，然后通過串口報文長度加上HSB報文首部長度計算出HSB報文長度，以此申請一個HSB報文緩沖區并初始化此HSB報文的目標節點地址、報文長度、報文類型、串口配置、數據段等各個發送相關字段，最后通過網絡通信接口sendto發出HSB報文。

3．3串口報文接收

串口報文接收接口與串口報文發送接口的處理流程類似。首先對所有參數進行合法性檢查，然后計算出HSB報文長度并申請一個HSB報文緩沖區，接著使用網絡通信接口recvfrom接收到HSB報文，最后將接收到的HSB報文的數據段數據拷貝到串口報文接收緩沖區。

3．4串口關閉

串口關閉接口的主要功能是釋放相關系統資源，如關閉socket接口、釋放串口設備對象等。

4工程應用

本方案目前已應用到新一代的安防監控、消防信息傳輸控制等多個變電站輔助設備中。通過RS5通信板卡的RS5接口，與安防監控、火災自動報警系統等終端的通信功能工作正常，通過RS5接口接入的擴展鍵盤、探測器和輸出前端等設備，能正確實現報警信號、布撤防等數據交互。設備現場運行情況良好，所有功能工作穩定，性能符合裝置技術指標要求。本方案提高設備的可擴展性，通信協議易于升級與維護，對低速通信總線的擴展具有一定參考價值。

作者：陳彬 陳從靖 單位：南京國電南自電網自動化有限公司