西門子模塊6ES211-0AA23-0XB0原裝代理

1 引言
Modbus應(yīng)用層協(xié)議由美國Modicon公司(現(xiàn)為施耐德電氣旗下品牌)于1979年開發(fā)的，用于實(shí)現(xiàn)其PLC產(chǎn)品與上位機(jī)的通信。由于其簡單易用，得到了廣大工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表企業(yè)的采納與支持，實(shí)際上已成為了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，我國標(biāo)準(zhǔn)化**已將Modbus協(xié)議作為我國工業(yè)自動(dòng)化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別制定了GB/Z19582.1-2004(Modbus應(yīng)用層協(xié)議)，GB/Z19582.2-2004(串行鏈路上的Modbus)和GB/Z19582.3-2004(Modbus-TCP)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。Modbus應(yīng)用層協(xié)議位于OSI模型中的*七層，將它嵌入到不同的低層協(xié)議中形成了三種具體的通信方式:Modbus串行鏈路、Modbus-Plus和Modbus-TCP，三種通信網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以通過網(wǎng)關(guān)來達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的。這些年來以太網(wǎng)的繁榮壯大使得將Modbus協(xié)議嵌入到TCP/IP協(xié)議中實(shí)現(xiàn)Modbus設(shè)備間的通信非常必要，鑒于此，1999年電氣發(fā)布了Modbus-TCP協(xié)議，使得以太網(wǎng)上的Modbus設(shè)備可以通過502端口進(jìn)行通信。

PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中占有很大的比例，一些大型的控制系統(tǒng)中控制點(diǎn)數(shù)量達(dá)到上萬，采用常規(guī)的通道測量方法來對PLC通道測量往往需要花費(fèi)不少的時(shí)間，而且效率低。本文針對施耐德電氣的Quantum系列PLC，通過引入Modbus-TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)普通計(jì)算機(jī)與PLC通信，用普通計(jì)算機(jī)取代編程器去進(jìn)行通道測量試驗(yàn)。操作人員不需要對PLC和計(jì)算機(jī)的通信很熟悉就能夠很快地完成通道，提高了工作效率。

2 Modbus通信原理

2.1 Modbus應(yīng)用層協(xié)議
Modbus應(yīng)用層協(xié)議位于ISO/OSI參考模型中的*七層，它是通過請求-響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間按客戶/服務(wù)器方式通信。首先客戶發(fā)送請求報(bào)文到服務(wù)器，服務(wù)器接收到報(bào)文后進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)，若報(bào)文無誤則執(zhí)行操作，并返回響應(yīng)報(bào)文到客戶端，若傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤則返回異常響應(yīng)報(bào)文，從而完成一次通信周期。Modbus協(xié)議定義了一個(gè)與傳輸層無關(guān)報(bào)文格式，該報(bào)文稱之為協(xié)議數(shù)據(jù)元(PDU)，協(xié)議數(shù)據(jù)元由占用一個(gè)字節(jié)的功能碼和較長252個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)域組成，

功能碼的有效取值范圍是1~255，功能碼分類分為三類:公用功能碼、用戶自定義功能碼和保留功能碼。由客戶端發(fā)送到服務(wù)器的報(bào)文中的功能碼指示服務(wù)器所要執(zhí)行的操作，一些功能碼還帶有子功能碼，用于執(zhí)行多步操作。如果服務(wù)器接收到的報(bào)文正確并執(zhí)行，由服務(wù)器返回的報(bào)文中的功能碼告訴客戶端設(shè)備該信息為按照該功能碼執(zhí)行的結(jié)果。Modbus網(wǎng)絡(luò)通信中常用到的是公用功能碼，它們在不同公司產(chǎn)品之間的通信中具有統(tǒng)一的定義。表一給出了部分公用功能碼的定義。

數(shù)據(jù)域內(nèi)存放著Modbus設(shè)備能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)信息。由客戶發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)域含有功能碼操作的附加信息，在某些請求報(bào)文中數(shù)據(jù)域的長度為零。

Modbus協(xié)議中依據(jù)數(shù)據(jù)屬性的區(qū)別定義了四種數(shù)據(jù)類型:離散輸入、線圈、輸入寄存器和輸出寄存器。這四種數(shù)據(jù)類型的組合構(gòu)成了Modbus數(shù)據(jù)模型。它們在不同的設(shè)備內(nèi)存中分配的方式是由生產(chǎn)廠家預(yù)先制定的，可以是在同一區(qū)域，也可以是有各自的獨(dú)立區(qū)域或其他方式。

PDU的尋址方式也在Modbus應(yīng)用層協(xié)議中作出了具體的定義。在Modbus PDU中每一個(gè)數(shù)據(jù)都賦予從0~65535中的一個(gè)值作為該數(shù)據(jù)的地址。而在Modbus數(shù)據(jù)模型中，每一種數(shù)據(jù)類型塊中的數(shù)據(jù)單元都定義了一個(gè)從1到n(設(shè)備容量決定)的值作為其地址。Modbus數(shù)據(jù)模型要與符合IEC-61131標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際設(shè)備內(nèi)存或者其他模型對應(yīng)起來，這方面的映射關(guān)系是由設(shè)備生產(chǎn)廠家制定的。圖二給出了Modbus尋址模型，設(shè)備內(nèi)存中的四種數(shù)據(jù)模式的組織方式是由廠家決定的。由圖2可知，一個(gè)Modbus PDU地址所對應(yīng)的Modbus數(shù)據(jù)模型地址為該P(yáng)DU地址加1。

2.2 Modbus通信實(shí)現(xiàn)方式
要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信，需要將Modbus應(yīng)用層協(xié)議嵌入到ISO/OSI參考模型中的低層協(xié)議中。現(xiàn)行的通信方式有三種:
(1) 通過串行鏈路實(shí)現(xiàn)的異步(Modbus-RTU and Modbus-ASCII)，又稱標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信;
(2) 高速令牌環(huán)網(wǎng)通信(Modbus-Plus);
(3) 基于TCP/IP的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)通信(Modbus-TCP)。

表2給出這三種通信方式與ISO/OSI參考模型的比較。

在不同的通信方式中都要對Modbus PDU進(jìn)行封裝，組成不同的Modbus幀，這種幀在Modbus協(xié)議中有專有的名詞稱之為應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)。在Modbus-RTU和Modbus-Plus通信中采用的是標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，它只是在PDU加上了占用一個(gè)字節(jié)的附加地址和在PDU結(jié)束增加了占用兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼。在Modbus-TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信中需要對Modbus應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行重新封裝，該封裝是通過在Modbus PDU前加上了Modbus應(yīng)用層協(xié)議幀頭來實(shí)現(xiàn)。

基于串行鏈路的Modbus通信網(wǎng)絡(luò)是一種主從式網(wǎng)絡(luò)，在串行網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和較多247個(gè)從節(jié)點(diǎn)，在這種網(wǎng)絡(luò)下，標(biāo)準(zhǔn)Modbus ADU中的附加地址域只包含從節(jié)點(diǎn)的地址，可尋址范圍是0~247，地址0作為廣播模式地址使用，從節(jié)點(diǎn)地址的有效取值范圍是1~247，并且每個(gè)從節(jié)點(diǎn)的地址必須是一的，主節(jié)點(diǎn)不存在具體的地址值。主節(jié)點(diǎn)設(shè)備將要訪問的從節(jié)點(diǎn)設(shè)備的地址放入到請求幀的地址域中，當(dāng)該地址的從節(jié)點(diǎn)設(shè)備作出響應(yīng)時(shí)，將會(huì)把從節(jié)點(diǎn)設(shè)備的地址復(fù)制到響應(yīng)幀的地址域中，主節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過該地址得知是由哪個(gè)從節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)來的響應(yīng)。
校驗(yàn)域存放了根據(jù)報(bào)文內(nèi)容經(jīng)由冗余校驗(yàn)算法計(jì)算所得到的結(jié)果。在基于串行鏈路的Modbus通信網(wǎng)絡(luò)中有兩種傳輸方式:RTU和ASCII，這兩種傳輸方式的冗余校驗(yàn)算法是不同的。

采用RTU通信模式要比ASCII模式在同樣波特率下能傳輸更多信息，在RTU模式底下是以二進(jìn)制編碼方式對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，報(bào)文中每一個(gè)字節(jié)(8位二進(jìn)制位)包含了兩個(gè)十六進(jìn)制字符，同一報(bào)文內(nèi)的字符必須連續(xù)傳輸。RTU模式字節(jié)傳輸格式由1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶檢驗(yàn)位和1位停止位依次組成，共占用11位二進(jìn)制位。當(dāng)不使用奇偶檢驗(yàn)時(shí)，奇偶校驗(yàn)位也作停止位使用，此時(shí)共有兩位停止位。RTU傳輸模式下幀的差錯(cuò)校驗(yàn)域內(nèi)存放的是報(bào)文經(jīng)過循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)算法計(jì)算得出的。

采用ASCII通信模式時(shí)，每一個(gè)字節(jié)(8位二進(jìn)制位)用兩個(gè)ASCII字符表示。由于每個(gè)字節(jié)都要用兩個(gè)字符表示，數(shù)據(jù)域的長度是RTU模式的兩倍，顯然在該模式下的傳輸效率要比RTU模式低。該模式的字節(jié)傳輸格式與RTU模式相似，只是數(shù)據(jù)位置占用7個(gè)二進(jìn)制位。ASCII模式下幀的差錯(cuò)檢驗(yàn)算法為縱向冗余校驗(yàn)(LRC)。

Modbus-TCP實(shí)現(xiàn)了在TCP/IP以太網(wǎng)上以客戶/服務(wù)器方式的Modbus報(bào)文通信。這種通信模型是將Modbus協(xié)議作為應(yīng)用層協(xié)議嵌入到低層TCP/IP協(xié)議中構(gòu)成的。與標(biāo)準(zhǔn)Modbus幀相比，Modbus-TCP幀中的尋址與校驗(yàn)交由TCP/IP協(xié)議完成。如圖3所示，使用封裝的方法將Modbus PDU嵌入到TCP報(bào)文中形成Modbus-TCP幀，該幀在PDU之前形成了一個(gè)占用7個(gè)字節(jié)大小的MBAP幀頭，幀頭可以劃分為四部分，如表3所示。

交易標(biāo)識(shí)符用于交易校驗(yàn)，服務(wù)器端節(jié)收到由客戶發(fā)來的請求交易標(biāo)識(shí)符并復(fù)制到響應(yīng)中。協(xié)議標(biāo)識(shí)符用于系統(tǒng)內(nèi)多路復(fù)用傳輸，取0值時(shí)代表Modbus協(xié)議傳輸。長度域記錄了該域后續(xù)報(bào)文的字節(jié)長度(包括設(shè)備識(shí)別符和數(shù)據(jù)域)，用于服務(wù)器識(shí)別報(bào)文的傳輸結(jié)束。設(shè)備標(biāo)識(shí)符用于系統(tǒng)內(nèi)路由，當(dāng)需要與通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接的Modbus串行鏈路或Modbus-Plus通信網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，該標(biāo)識(shí)符域的值由Modbus-TCP客戶在請求幀中設(shè)置，服務(wù)器接收到后，在響應(yīng)幀中復(fù)制該值。

3 Modbus-TCP應(yīng)用

針對電氣旗下的Quantum系列PLC，為了加快完成這方面的工作，采用自編寫的程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)對PLC的四種數(shù)據(jù)類型直接操作。硬件方面，Quantum系列PLC有能提供以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)模塊，通過底板與CPU通信，它作為Modbus-TCP通信的服務(wù)器，不需要我們做其他編程工作。PLC為上文所陳述的四種數(shù)據(jù)類型定義了四個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存區(qū)，其中離散輸入為1區(qū)，線圈為0區(qū)，輸入寄存器為3區(qū)，輸出寄存器為4區(qū)，尋址方式為區(qū)號(hào)加上5位的十進(jìn)制地址，當(dāng)輸入地址不足6位時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)認(rèn)為較高位數(shù)值為內(nèi)存分區(qū)號(hào)，其后數(shù)值為該區(qū)域內(nèi)的地址編號(hào)。由于操作的目的在于檢驗(yàn)PLC系統(tǒng)中IO通道的正確性，所需要使用的功能碼有:讀線圈01、讀離散輸入02、讀保持寄存器03、讀輸入寄存器04、寫多線圈15和寫多個(gè)寄存器16。

一次完整的Modbus-TCP通信在時(shí)間上可以劃分為三個(gè)步驟:連接的建立、Modbus和連接的釋放。在進(jìn)行Modbus之前首先要建立起一個(gè)連接，設(shè)備是通過在502端口提供一個(gè)口(socket)來允許與其它設(shè)備建立新連接和進(jìn)行。當(dāng)某一設(shè)備需要與遠(yuǎn)方的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，必須通過自身大于1024的端口與服務(wù)器的502端口建立連接。TCP連接建立后，客戶端設(shè)備便可以發(fā)送Modbus請求幀到服務(wù)器，服務(wù)器接收到請求后作出響應(yīng)，向連接客戶的端口發(fā)送響應(yīng)報(bào)文。傳輸結(jié)束時(shí)，客戶端負(fù)責(zé)進(jìn)行釋放通信連接的初始化工作。

程序在DOS模式下運(yùn)行，提供有以下運(yùn)行參數(shù):
-ip: 即目標(biāo)服務(wù)器的IP地址;
-p: PLC的Modbus通信端口，默認(rèn)值為502;
-c: 服務(wù)器執(zhí)行功能碼的操作對象數(shù)量;
-r: 操作的起始地址;
-w: 寫操作參數(shù);
-a: 自動(dòng)操作模式;
-t: 自動(dòng)操作的時(shí)間間隔;
-b: 線圈寫操作的布爾值。

4 結(jié)束語

通過以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接讀寫PLC數(shù)據(jù)，使得廠級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能夠直接與現(xiàn)場設(shè)備通信，監(jiān)控人員能夠在熟悉的計(jì)算機(jī)畫面上對PLC通道進(jìn)行，與依靠人為施加信號(hào)來進(jìn)行檢測相比，前者明顯地降低了操作人員的工作量，而且當(dāng)需要檢測的IO點(diǎn)數(shù)量越大時(shí)，效率越高。本程序只是Modbus與TCP/IP協(xié)議結(jié)合的一個(gè)簡單應(yīng)用，雖然以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和抗干擾性已得到很大的發(fā)展，但要把以太網(wǎng)真正應(yīng)用到實(shí)際的控制中還有很多技術(shù)難題，這還要走很長一段路。不過以太網(wǎng)進(jìn)入自動(dòng)控制領(lǐng)域已是必然趨勢，它將使控制變得更加簡單和清楚。

在電力供配電系統(tǒng)中，配電變壓器監(jiān)測終端(TTU)用于對配電變壓器的信息和控制,它實(shí)時(shí)監(jiān)測配電變壓器的運(yùn)行工況,并能將的信息傳送到主站或其他的智能裝置,提供配電系統(tǒng)運(yùn)行控制及管理所需的數(shù)據(jù)。一般要求TTU能實(shí)時(shí)監(jiān)測線路、柱上配電變或箱式變的運(yùn)行工況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理事故和緊急情況,并具有就地和遠(yuǎn)方無功補(bǔ)償和有載調(diào)壓的功能。由此可見,TTU除具有數(shù)據(jù)采集與控制功能外,另一個(gè)重要功能就是通信功能[1]。
電力線載波通信技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代初期，它以電力線路為傳輸通道，具有可靠性高、投資少、、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天*厚的優(yōu)點(diǎn)。電力線載波又分為高壓電力線載波(電力線載波中通常指35 kV及以上電壓等級）、中壓電力線載波(10 kV電壓等級)和低壓電力線載波(380/220 V電壓等級)[2]。
1 配變監(jiān)測終端通信模塊的硬件設(shè)計(jì)
1.1配電自動(dòng)化對TTU通信的要求[1]
根據(jù)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的要求,配變監(jiān)測終端TTU對上應(yīng)能與配電子站或主站進(jìn)行通信,將終端的實(shí)時(shí)信息上報(bào),同時(shí)接收子站/主站下達(dá)的各種控制命令，對下要求可與附近的配變監(jiān)測終端(TTU)或其他智能設(shè)備進(jìn)行通信。因此,對配變監(jiān)測終端通信功能的要求比較嚴(yán)格,無論通信方式、通信協(xié)議、通信接口都要滿足配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求,主要包括:
    (1)通信的可靠性：配變監(jiān)測終端的通信應(yīng)能抵制惡劣的氣候條件，如雨、雪、冰雹和雷陣雨，還有長期的紫外線照射、強(qiáng)電磁干擾等。
    (2)較高的性價(jià)比：考慮通信系統(tǒng)的費(fèi)用，選擇費(fèi)用和功能及技術(shù)**性的較佳組合，追求較佳性價(jià)比。
    (3)配電通信的實(shí)時(shí)性：電網(wǎng)故障時(shí)TTU快速及時(shí)地傳送大量故障數(shù)據(jù)，配變監(jiān)測終端的通信系統(tǒng)必須具有雙向通信的能力,具有半雙工或全雙工的能力。
    (4)通信方式的標(biāo)準(zhǔn)化及通用性：配變監(jiān)測終端的通信系統(tǒng)包括發(fā)送器、。使用中常常需要與其他配電設(shè)備進(jìn)行通信,因此應(yīng)盡量選擇具有通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的通信方式及設(shè)備,便于使用和維護(hù)。
1.2 TTU通信模塊的構(gòu)成

   接口通過電力線接收來自主站的命令信息，經(jīng)過濾波放大后，命令經(jīng)過解調(diào)送到控制器，然后控制器通過串口將主站命令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集與處理模塊。數(shù)據(jù)采集與處理模塊根據(jù)接收到的主站命令對配電變壓器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過分析處理后，將數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給通信模塊的控制器，再經(jīng)過調(diào)制，最后經(jīng)由接口發(fā)送到電力線上，等待主站接收。
1.2.2 電力線載波芯片的選擇
在電力線載波通信中，電力線載波芯片起著至關(guān)重要的作用，它直接影響到信息的準(zhǔn)確傳送，因此電力線載波芯片的選擇是十分重要的。
XR2210/XR2206套片或LM1893是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片，并不是專門針對電力線載波通信設(shè)計(jì)的。LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式，它只是對一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進(jìn)，目前，這兩款modem芯片在國內(nèi)基本沒有采用。SSC P300是Inbbblon公司采用現(xiàn)代較新通信技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波modem芯片。它采用了擴(kuò)頻(Chirp方式)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可稱為智能modem芯片，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢。但它是Inbbblon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。頻率范圍100 kHz~400 kHz，電網(wǎng)電壓480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不適合我國50 Hz電網(wǎng)頻率。ST75xx芯片是-THOMSON公司專為電力線載波通信而設(shè)計(jì)的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號(hào)處理手段，目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

   本文選用-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片。ST7538內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能[4]，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，內(nèi)部具有電壓自動(dòng)控制和電流自動(dòng)控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中,可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠通信。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運(yùn)算放大器、時(shí)鐘輸出、**時(shí)溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源狀態(tài)輸出等，大大減少了ST7538應(yīng)用電路的外圍器件數(shù)量,是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片，為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采取了多種抗干擾技術(shù)。
1.2.3  硬件電路的設(shè)計(jì)
通信模塊包括微處理器部分、載波部分、信號(hào)濾波部分和電力線信號(hào)耦合保護(hù)部分。

    微處理器選擇ARM芯片，它與TTU的數(shù)據(jù)采集與處理模塊通過串口進(jìn)行通信，及時(shí)發(fā)送主站的命令以及傳送TTU采集到的配變數(shù)據(jù)。
電力線載波芯片ST7538與微處理器之間通過SPI口進(jìn)行通信，通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以實(shí)現(xiàn)微控制器與ST7538的數(shù)據(jù)交換。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。微處理器與ST7538之間的通信采用同步方式，CLR/T作為參考時(shí)鐘。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，RxTx為低，待發(fā)數(shù)據(jù)從TxD腳進(jìn)入ST7538,時(shí)鐘上升沿時(shí)被采樣，并送入FSK調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、濾波和自動(dòng)電平控制電路(ALC)，再通過差分放大器輸出到電力線。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，RxTx為高，信號(hào)由模擬輸入端RAI腳進(jìn)入ST7538,經(jīng)過一個(gè)帶寬±10 kHz的帶通濾波器，送入一個(gè)帶有自動(dòng)增益AGC的放大器。此信號(hào)再經(jīng)過解調(diào)、濾波和鎖相變成串行數(shù)字信號(hào)，輸出給微處理器ARM。
信號(hào)濾波部分包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。輸入濾波電路采用并聯(lián)電流諧振電路，濾除*頻率以外的無用信號(hào)和噪聲。輸出濾波電路采用串聯(lián)電壓諧振電路，避免無用信號(hào)耦合到電力線上。
電力線信號(hào)耦合保護(hù)電路由功率放大器、輸出保護(hù)匹配電路和輸入增益平衡匹配電路3個(gè)基本部分組成，其耦合方式采用電容耦合。
2 配變監(jiān)測終端通信模塊的軟件設(shè)計(jì)
2.1通信協(xié)議的制定
    通信模塊的通信協(xié)議根據(jù)DNP3.0規(guī)約制定，數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)采用一種可變幀長格式：FT3。一個(gè)FT3幀被定義為一個(gè)固定長度的報(bào)頭，隨后是可以選用的數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊附有一個(gè)16 位的 CRC 校驗(yàn)碼。固定的報(bào)頭含有兩個(gè)字節(jié)的起始字，一個(gè)字節(jié)的長度(LENGH)，一個(gè)字節(jié)的鏈路層控制字 (CONTROL)，一個(gè)16位的目的地址，一個(gè)16位的源地址和一個(gè)16位的CRC校驗(yàn)碼，

  起始字：2字節(jié)，0x0564。
    長度：1字節(jié)，是控制字、目的地址、源地址和用戶數(shù)據(jù)之和，255≥長度≥5。
    目的地址：2個(gè)字節(jié)，低字節(jié)在前。
    源地址：2個(gè)字節(jié)，低字節(jié)在前。
    用戶數(shù)據(jù)：跟在報(bào)頭之后的數(shù)據(jù)塊，每16個(gè)字節(jié)一塊，最后一個(gè)塊包含剩下的字節(jié),可以是1~16個(gè)字節(jié)。每個(gè)數(shù)據(jù)塊都有一個(gè)CRC循環(huán)冗余碼掛在后面。
    CRC循環(huán)冗余碼：2個(gè)字節(jié)。在一個(gè)幀內(nèi)，掛在每個(gè)數(shù)據(jù)塊之后。
    控制字與功能碼：通信控制字包含有本幀的傳輸方向，幀的類型以及數(shù)據(jù)流的控制信息。功能碼的具體設(shè)定為:
    對于原發(fā)送方的幀：
    0：使遠(yuǎn)方鏈路復(fù)位
    1：使遠(yuǎn)方進(jìn)程復(fù)位
    3：發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，須對方確認(rèn)
    4：發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，不須對方確認(rèn)
    9：詢問鏈路狀態(tài)
    對于從方發(fā)送幀：
    0：肯定確認(rèn)
    1：否定確認(rèn)
    11：回答鏈路狀態(tài)
2.2 通信模塊的軟件設(shè)計(jì)方案
通信模塊平時(shí)工作在載波接收狀態(tài)[5]，接收到一幀數(shù)據(jù)后解調(diào)給TTU數(shù)據(jù)采集端，TTU采集端接收并返回?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)制后經(jīng)電力線傳給主站經(jīng)解調(diào)后給采集終端。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)RS485接收到數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行載波發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后返回接收狀態(tài)。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)RS485沒有接收到數(shù)據(jù)也自動(dòng)返回載波接收狀態(tài)。

  當(dāng)通信模塊判斷有幀命令接收時(shí)，開始解調(diào)，即載波接收，限定時(shí)間為5 s，在解調(diào)過程中同時(shí)判斷幀命令，有則重新連續(xù)解調(diào)。有幀命令接收時(shí)才允許串口接收，限定時(shí)間為1.5 s。接收幀命令開始解調(diào)后，即向串口發(fā)送命令，TTU數(shù)據(jù)采集端接收到命令后,根據(jù)命令的指示進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，分析數(shù)據(jù)狀態(tài)，并把采集與分析結(jié)果發(fā)送到串口。當(dāng)通信模塊接收幀頭找到后1.5 s內(nèi)收到采集端的返回?cái)?shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，向電力線發(fā)送，即載波發(fā)送，**5 s，若幀頭找到后1.5 s內(nèi)沒有收到采集端的返回?cái)?shù)據(jù),則禁止接收TTU采集端的數(shù)據(jù)。載波發(fā)送完畢，通信模塊再次回到接收狀態(tài)，等待主站的下一次命令。
    本文實(shí)現(xiàn)了配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計(jì)，該模塊基于電力線載波通信技術(shù)，通過電力線與配電主站進(jìn)行通信，*另架線路，具有性價(jià)比好，集成度高，工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。通信模塊與配電變壓器的數(shù)據(jù)采集與分析處理模塊結(jié)合在一起，構(gòu)成配電變壓器的監(jiān)測終端，使配電變壓器監(jiān)測終端集采集、處理、通信于一體，改善了配電變壓器監(jiān)測終端的功能，優(yōu)化了其設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)監(jiān)測終端的性能，具有很好的發(fā)展前景。

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