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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇通信協議，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞:Modbus; RTU; FPGA; VHDL
中圖分類號:TP316 文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)11-0203-05
Modbus Communication Protocol Based on FPGA
YU Zheng-lin, ZHANG Long, HUANG Yong
(Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)
Abstract: Modbus protocol is a popular fieldbus, and has become one of national standards in China with easy perfor-mance, widely opening and compact frame format. A method of implementing Modbus RTU protocol based on Cyclone FPGA is introduced. A interface can be used both in Modbus server and client, a Modbus slave coprocessor was designed based on it. The test results show that the design meets the communication requirement of industry environment, and has certain value in other kinds of FPGA.
Keywords: Modbus; RTU; FPGA; VHDL
0 引 言
現場總線是一種應用于生產現場,在現場設備之間,現場設備與控制裝置之間實現雙向、串行、多節點數字通信的技術[1]。Modbus協議其節點安裝數量非常多,安裝的地區遍及世界各地。
今天的FPGA可包含內嵌乘法器、專用計算例程和片上RAM等,加上FPGA的并行性,其結果比最快的DSP芯片還要快上500倍乃至更多。隨著FPGA價格不斷下降,甚至最小的器件都足以實現一個集成可選定制I/O功能的軟處理器核?？梢?FPGA對嵌入控制應用越來越具有吸引力[2]。
目前Modbus協議實現方式多為單片機和PLC,隨著FPGA的廣泛應用,研究Modbus現場總線的FPGA解決方案有很大的實用價值。
1 Modbus協議簡介[3-4]
Modbus串行鏈路系統可以使用不同的物理接口(RS 485,RS 232),最常用的是RS 485兩線制接口。為了提高通信模塊在工業應用中的抗干擾性和穩定性,接口芯片和FPGA核心模塊之間應加入高速光耦進行隔離,總線兩端處放置線路終端電阻,采用屏蔽雙絞線作為通信線等。
在串行鏈路上,Modbus RTU(Remote Terminal Unit)模式報文中每8個位字節含有兩個4位十六進制字符,這種模式的主要優點是較高的數據密度,在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。RTU模式每個字節(11位)的格式如圖1所示,支持奇、偶和無校驗,使用無校驗時要求2個停止位。Modbus RTU幀最大為256 B,由發送設備將Modbus報文構造為帶有已知起始和結束標記的幀,報文幀由時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔區分,整個報文幀必須以連續的字符流發送,如果兩個字符之間的空閑間隔大于1.5個字符時間,則報文幀被認為不完整被接收節點丟棄,如圖1所示。
圖1 RTU模式位序列和報文幀
在應用層上,Modbus是一個請求/應答協議,并且提供功能碼規定的服務。有三類Modbus功能碼:公共碼、用戶定義碼和保留碼,大多數情況下只用公共碼,其主要包括比特(線圈)訪問、16 b(寄存器)訪問、文件記錄訪問、診斷和其他信息訪問。
2 Modbus RTU通信協議接口設計
2.1 接口功能及模塊劃分
Modbus RTU接口框圖及輸入、輸出引腳示意圖如圖2所示。
圖2 Modbus接口示意圖
在某一確定的主時鐘頻率、通信波特率和奇偶校驗方式下,通過設置CE_Modbus和R_Tn的狀態,可以控制該接口模塊處于接收Modbus協議幀模式、發送Modbus協議幀模式或輸入/輸出寄存器操作模式,如表1所示。
表1 操作模式控制
CE_ModbusR_Tn操作模式
11接收Modbus協議幀
10發送Modbus協議幀
0×輸入/輸出寄存器操作
典型的波特率和奇偶校驗位設置如表2、表3所示。這兩組控制信號可以從端口引出接到撥碼開關,然后可以通過調節撥碼開關來靈活控制該設備奇偶性與波特率,也可以通過寄存器配置方式控制。
表2 波特率控制
Sel_baud[2..0]波特率/(b/s)
009 600
0119 200
1038 400
11115 200
表3 奇偶校驗控制
Sel_parity [2..0]校驗方式
00偶
01奇
10或11無
2.2 接收過程
(1) 系統處于接收Modbus協議幀模式下之后,清零標志位和定時器,然后啟動定時器,如果檢測到有串口輸入數據,則清零定時器,如果沒有檢測到串口輸入數據且定時器第一次計時到3.5個字符時間,置幀起始標志;
(2) 把接收到的第一個字符放入接收緩沖寄存器的0x00地址(協議幀最長為256 B,故接收緩沖大小為256 B,地址為8 b),置已開始接收標志;
(3) 將接收到的正確字符依次放入接收緩沖寄存器中,即地址每次加1,每接收完一個字符之后清零定時器;如果在接收字符時檢查到起始錯誤(起始位沒有持續波特率所對應bit時間的一半),奇偶校驗錯誤,或者幀錯誤(停止位為0),則丟棄該字符,重新同步起始位;
(4) 如果檢測到兩個字符時間間隔大于1.5個字符時間,則重置幀起始標志,把下一個接收到的字符放入接收緩沖寄存器的0x00地址,再繼續步驟(3);
(5) 當檢測到沒有字符輸入且定時器第二次檢測到3.5個字符時間,置協議幀接收完全標志;
關鍵詞：局域網；通信協議；網絡互聯
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)15-3542-01
在企業或公司內部為了實現資源共享，一般都需要搭建局域網，而局域網通信協議如果配置不當會引起網絡不能訪問的現象，也就無法實現資源共享，如何全面理解局域網中的通信協議，并選擇恰當的網絡協議是本文主要解決的問題。
通信協議是指通信雙方的一種約定。約定包括對數據格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統一規定，通信雙方必須共同遵守，它是網絡中的計算機實現通信的必備條件，兩臺連接到局域網中的計算機要想實現通信，則必須使用相同的通信協議。局域網中常用的通信協議主要包括TCP/IP、NETBEUI和NWLink三種協議，每種協議都有其適用的應用環境。
1 局域網中常用的通信協議
1.1 TCP/IP協議
TCP/IP是Transmission Control Protocol/Internet Protocol的簡寫，即傳輸控制協議/因特網互聯協議，又叫網絡通訊協議，可提供因特網的連接同時也可用于局域網內的連接。
TCP/IP具有很高的靈活性，支持任意規模的網絡，幾乎可連接所有的服務器和工作站。相比較其它網絡協議而言，該協議需要配置的選項較多，主要有IP地址，子網掩碼，網關，域名服務器地址等，要求配置者具有一定的專業知識。為了簡化配置，在Windows XP及Windows Server 2003當中提供了DHCP服務，可以大大減少組建網絡人員的工作量。
TCP/IP也是一種可路由的協議。由于TCP/IP的地址是分級的，這使得它很容易確定并找到網上的用戶，同時也提高了網絡帶寬的利用率。所以該協議是組建局域網時最為常用的一種。
1.2 NETBEU協議
NetBEUI即NetBios Enhanced User Interface ，或NetBios增強用戶接口。NETBEUI協議在許多情形下很有用，是WINDOWS98之前的操作系統的缺省協議。NetBEUI協議是一種短小精悍、通信效率高的廣播型協議，安裝后不需要進行設置，所以適用于只有單個網絡或整個環境都橋接起來的小工作組環境，特別適合于在“網絡鄰居”傳送數據。所以建議除了TCP/IP協議之外，局域網的計算機最好也安上NetBEUI協議。
但NETBEUI缺乏路由和網絡層尋址功能，這是其最大的缺點，所以NetBEUI協議主要用于本地局域網中，一般不能用于與其他網絡的計算機進行溝通。
1.3 NWLink協議
在談NWLink協議之前，首先來看IPX/SPX協議，即Internet分組交換/順序分組交換，它是Internetwork Packet Exchange/Sequences Packet Exchange的縮寫，是Novell公司的通信協議集。IPX/SPX比較龐大，在復雜環境下具有很強的適應性。這是因為IPX/SPX在設計一開始就考慮了網段的問題，因此它具有強大的路由功能，適合于大型網絡使用。當用戶端接入NetWare服務器時，IPX/SPX及其兼容協議是最好的選擇。但在非Novel網絡環境中，一般不使用IPX/SPX。
在微軟的Windows XP以及Windows Server 2003操作系統中，一般使用NWLink IPX/SPX兼容協議和NWLink NetBIOS兩種IPX/SPX的兼容協議，即NWLink協議，該兼容協議繼承了IPX/SPX協議的優點，更適應Windows的網絡環境。IPX/SPX協議一般可以應用于大型網絡和局域網游戲環境中。它支持將Windows Server 2003服務器連接到Novell NetWare服務器上。通過使用NWLink協議，Windows和NetWare客戶可以訪問在對方服務器上運行的客戶或服務器應用程序。在使用NWLink協議時，它只能作為客戶端的協議實現對NetWare服務器的訪問，離開了NetWare服務器，此兼容協議將失去作用。
2 在局域網中通信協議的安裝
1）TCP/IP通信協議的安裝。在Windows XP或Windows Server 2003中，如果未安裝有TCP/IP通信協議，可選擇“開始/設置/控制面板/網絡連接/本地連接”，右鍵選擇“屬性”，將出現“本地連接 屬性”對話框，選擇對話框中的“安裝/協議”，選取其中的TCP/IP協議，然后單擊“確定”按鈕，系統開始從安裝盤中復制所需的文件并完成安裝。
TCP/IP通信協議的設置。在“網絡”對話框中選擇已安裝的TCP/IP協議，打開其“屬性”。在指定的位置輸入已分配好的“IP地址”和“子網掩碼”。如果該用戶還要訪問其它Windows XP網絡的資源，還可以在“默認網關”處輸入網關的地址。
2）NETBEU協議的安裝，首先要準備好安裝盤或安裝文件，在Windows XP中，將安裝光盤中的“VALUEADD\MSFT\NET\NETBEUI”目錄下的“nbf.sys”文件拷貝到%SYSTEMROOT%\SYSTEM32\DRIVERS\目錄中，再將“netnbf.inf”文件拷貝到%SYSTEMROOT%\INF\目錄中；這樣在安裝“協議”的時候，在選擇窗口中就可以看到“NetBEUI協議”了。安裝完成之后，該協議不需要配置，可以直接使用。
3）NWLink協議的安裝方法與TCP/IP協議的安裝相似，只不過在選取協議時要注意選取NWLink IPX/SPX/NetBIOS Compatible Transport Protocol進行安裝，NWLink協議安裝完后即可使用。
3 總結
我們在今后局域網的組建過程當中，應當根據網絡的規模，主要用途，來選擇合適的網絡通信協議。如果你想提高網絡帶寬的利用率、增加局域網的可互聯性，TCP/IP則將是理想的選擇。如果正在組建一個小型的，只包含一個網段的網絡，要求反應速度快，并且對外沒有連接的需要，這時最好選擇NetBEUI通信協議。如果你要實現NetWare與Windows Server 2003相互通信，此時NWLink協議可以滿足需要。
參考文獻：
【關鍵詞】串口通信協議 遠程維護系統 研究
為了可以實現對一些比較重要的設備進行遠程監測以及維修養護，并實現無人監視和無人控制的最終目標，需要建設并完善與之有關的維護系統。建設起遠程維護的系統，首先要做的就是處理裝備信息接口的統一性，打造比較統一的通訊協議方面的問題。在計算機的控制下，串行通信接口為非常主要的接口，結合裝備實際情況來實現計算機與裝備間的通訊和交流，進而實現數據的傳輸。
1 分析并建立串口通訊協議
1.1 分析
整體上來看，串口通訊協議設計主要是在面向連接服務的基礎之上的。任何裝備對于通信協議的標準都是不同的，這是因為各個研制裝備的單位往往都會結合自身的需求以及實際設計型號來制定的，對于信息幀結構也有較多不同的種類，同時在通訊協議中，各個部分內容當中位數也有一定的差異，對數據進行編碼的方式自然也不一樣。所以，并不能實現不同裝備之間信息共享的操作。另外，還有一部分裝備并沒有設置信息接口，導致設備數據無法進行傳輸，自然就無法實現遠程控制設備。
1.2 建立
結合裝備運行的實際情況，制定通訊協議需要令其能夠實現對遠程設備進行控制以及維護的功能，還要在此基礎之上確?？臻g充足，以便設備進行功能擴展，在通訊協議當中，還需要擁有控制設備、監視參數、設置參數等有一定關聯的內容。對現有裝備所擁有的通訊協議進行分析和設計的基礎之上，構建出能夠滿足裝備的實際情況的一個通訊協議規范，它可以比較嚴格地對信息幀格式和其他的幀格式之間位數展開規定，按照協議，可以將其分成五類不同的幀結構，不同的幀結構設計類型都會和硬件間優化融合綜合起來進行考慮。
2 設計分析五種幀結構
2.1 握手類
這種幀結構直接將設備和接口連接起來，信息接口會定時傳送詢問幀到設備當中，假如此時裝備處于開啟狀態，裝備就會將回應幀傳輸給接口，在接口收到回應幀之后，雙幀聯動，就能夠實現數據的傳輸，達到遠程控制的目的。
2.2 控制類
這種幀結構將控制功能的實現作為主要目的，它可以對設備進行諸如開機或者關機等控制操作，在進入到這種狀態下的時候，接口需要先向整個設備輸送控制幀，在設備收到之后，就可以立刻執行這些控制類幀當中的指定命令，并且發送回應幀給接口，待接口收到之后，就可以標記這項操作任務已經完成了。
2.3 檢測類
這種幀結構能夠很好地實現檢測類的相關功能，正確利用檢測幀，我們能夠對設備的各項系統參數以及運轉狀態展開系統的檢測，在被控制的設備收到接口所傳輸的監測幀之后，結合信息幀當中的請求，向信息接口傳輸擁有監測內容的對應幀。在設備接收了這一對應幀之后就會在短時間內立刻進行信息整合，與此同時對其進行分析，保證數據信息高度的安全以及穩定。
2.4 維護類
這種幀結構針對的是擁有維護性能的設備所適用的，它能夠對受到控制的設備參數進行必要的設置，進而實現遠程維護設備。其具體的操作流程如下：信息接口先向對應設備傳輸要進行讀取的設備參數的信息幀，設備收到了信息幀后，結合信息幀當中所涵蓋的內容，傳輸響應幀到接口當中，這一過程當中，響應幀當中包括信息幀當中全部消息內容，在接口收到了響應幀之后，結合響應幀當中的消息，對消息進行適當的修改以及設置，全部完成之后，可以向設備傳輸維護類的幀，在設備收到維護幀后，就可以依照維護幀當中的一些信息來對設備進行適當的維護以及設置操作。
2.5 補充類
通常來說這種幀結構都是在設備以及接口間進行信息幀傳輸的過程當中，結合傳輸的信息幀長度、幀結構以及數據的字節數來進行精準判斷。不過，假如數據長度太大，不能通過一幀來進行傳輸的時候，就需要借助補充幀結構的作用。先發送并沒有進行校驗的幀，隨后自動傳送，在接口收到包含在補充信息幀當中的命令后，就可以標記這次數據通訊活動完畢。
3 傳輸數據和遠程維護系統具體實現
3.1 傳輸數據的流程
微機傳輸請求信息，到達設備之后，被控制的設備會先對信息幀進行解碼處理，結合協議當中的有關規范，在存儲器當中適當地抽取需要的消息，再通過ARM來進行適當的處理，結合規定當中的格式，借助串口，通過信息幀的形式來發送需要的數據信息，到達微機之后，微機接收信息幀，借助其中遠程維護軟件和協議當中所規定的格式來解碼信息幀，從中提取有效的信息，在相應的區域當中顯示指定的數據信息。
3.2 實現遠程維護系統
整體上來說，遠程維護控制這一系統的主要結構包括遠程維護中心、網絡組成軟件以及設備接口信息終端這樣的三個部分所組成，它可以很好地實現對各個被控制的設備進行監視以及維護的目的，通過信息之間的相互傳輸以及對彼此信息進行破解的過程來實現信息分析，進而能夠及時且有效地實現對被控設備進行遠程監控的目的，繼而對已經有的問題進行適當的預警和提示，繼而實現遠程維護設備和遠程控制設備的最終目的，這一系統的組成可以用圖1來展示。
4 結語
設計串口通訊協議，可以起到規范化通訊協議，并統一提供理論支持的作用，可以將裝備當中的串口通訊協議進行統一，與此同時，還給裝備遠程維護的控制系統打造了比較理想的理論平臺，針對裝備使用和發揮正常效能來說擁有比較現實的意義和價值。
參考文獻
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作者單位
【關鍵詞】SPI協議;雙DSP通信;TMS320DM642;TMS320C6747
1.引言
在水聲通信機的設計中，經常是由一個處理器進行喚醒檢測、AGC（自動增益控制）、A/D（模擬-數字轉換）、D/A（數字-模擬轉換）等工作。另外一個處理器負責信號調制、解調、糾錯編碼/解碼等復雜計算。在我們的水聲通信機設計中，前端采用低功耗的TMS320C6747浮點DSP，進行數據預處理;后端采用高性能的TMS320DM642定點DSP，進行復雜計算。這就需要雙DSP分工協作，共同完成系統整機的功能。不可避免的，將涉及到雙DSP之間大量的指令和數據交互操作。我們希望采用靈活的架構，簡潔的接口連線，簡單的控制協議，實現高可靠和高效率的指令與數據雙向傳輸，通過大量的實驗，我們最終選擇了SPI協議，并對典型的SPI協議進行了改進。典型的水聲通信機的架構如圖1所示。
圖1 典型水聲通信機的架構
在我們的設計中，“處理器A”選用了低功耗的TMS320C6747浮點DSP，“處理器B”選用了高性能的TMS320DM642定點DSP。在實際系統中，根據水聲通信機的不同工作頻段和運算能力要求，處理器A也可選擇FPGA/CPLD或者低功耗單片機;處理器B也可選擇不同運算能力的DSP、ARM或者FPGA。
2.SPI協議
SPI（Serial Peripheral Interface，串行設備接口）是Motorola公司于2000年提出的一種串行接口協議。該接口占用硬件資源少，通信協議簡單，具有同步時鐘，通信速率較高，分主設備和從設備，特別適合處理器與設備之間交換數據，在EEPROM（非易失存儲器）、串行A/D（模擬-數字轉換器）、串行D/A（數字-模擬轉換器）、實時時鐘等嵌入式系統中得到了廣泛的應用。
SPI協議的原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式需要有一個主設備和一個或多個從設備。典型的SPI協議定義了4線接口，這也是所有基于SPI的設備共有的，分別是SIMO（從機輸入、主機輸出），SOMI（從機輸出、主機輸入），SCK（時鐘）和CS（片選）。根據系統的不同需求，SPI接口也可以采用3線（數據單向傳輸）或5線等不同方式，以實現不同的功能。采用4線制SPI接口時，接口示意圖如圖2所示。
從圖2可知，所有的控制信號均由SPI主設備提供，SPI從設備只能在被查詢時才能與主設備建立通信。這種限制在處理器與設備通信時影響不大，但應用在雙處理器對等雙向通信時就有問題，作為從機的處理器無法主動發起通信，與主機交換數據。
在我們設計的水聲通信機中，雙DSP之間需要對等雙向通信，無論哪一方都能發起通信，因此需要對典型的SPI通信協議進行修改，使得從機也能主動發起通信。這需要修改硬件接口設計，增加額外的信號線來實現。
SPI協議沒有定義握手機制，在進行雙向高速率的可靠通信時，需要從硬件和軟件兩方面設計握手機制。同時，SPI協議也沒有定義“指令”和“數據”傳輸標識，需要由軟件來解析。為了解決上述問題，我們對SPI通信接口進行了改進，主要包括硬件接口設計和軟件協議設計兩部分。
3.系統硬件接口設計
硬件接口方面，在標準4線SPI協議的基礎上，增加ENAn、RSm和RSs三根控制線，分別代表從機請求主機通信、主機發給從機指令/數據指示、從機發給主機指令/數據指示。其控制思路如下：
當TMS320C6747（SPI主機）有指令/數據發給TMS320DM642（SPI從機）時，先設置RSm為某電平（約定高電平代表指令，低電平代表數據），然后發起通信，DM642的SPI模塊配置位從動模式，其底層硬件邏輯將自動檢測接收，并通知DM642進行后續接收/發送處理。
ENAn信號線平時為低電平，當DM642有指令/數據要傳遞給C6747時，先設置RSs電平（指示將指令/數據傳輸），然后設置ENAn信號線為高電平，C6747檢測到ENAn信號線電平的變化時，主動發起與DM642的通信。
我們設計的改進型SPI接口示意圖如圖3所示，圖3中左側虛線框內的部分為TMS320DM642芯片內集成的McBSP0接口，配置為4線SPI從動工作模式;圖3中右側虛線框內的部分為TMS320C6747芯片內集成的SPI1接口，配置為4線SPI主控模式，其中SPI1_ENAn由GPIO引腳控制。
圖2 典型的4線制SPI接口連接圖
圖3 TMS320DM642（SPI從）;TMS320C6747（SPI主）
經過如此改進之后，TMS320C6747（主機）和TMS320DM642（從機）之間能進行高速率的全雙工數據與指令的交互。
4.系統軟件設計
硬件接口設計為實現SPI高速率傳輸創造了通道，但難以保證數據傳輸的可靠性和有效性。為此，我們設計了SPI主機（TMS320C6747）和SPI從機（TMS320DM642）通信的軟件協議。
為了能進行指令和大容量數據傳輸，并且易于對接收到的SPI數據進行實時解析，為“指令”和“數據”設計了不同的“幀”結構。
進行指令傳輸時，固定每個數據包的長度，由“0x55AA”指示一個指令幀的開始，之后跟著幀序號，每次成功傳輸一幀后，幀序號增1，接下來是本機在前次握手通信時收到的幀序號，方便對方據此判斷前次指令是否被成功接收。
序號之后是20個指令字，最后是CRC校驗字段，接收端對前23個字進行CRC校驗，如果與接收到的CRC不同，則重新請求該指令序號;如果與接收到的CRC相同，則解析該指令。如果接收端收到的幀序號不連續，則表明兩個序號之間的部分指令出錯，根據需要可請求重發;如接收端收到的對方“已接收序號”和之前發送的不同，也能識別出通信出錯。
在進行數據傳輸時，由“0x55A5”指示一個數據幀的開始，在幀序號之后是數據區的長度，接下來是數據區，最后是CRC校驗。指令幀和數據幀的序號分別編號，與傳輸“指令幀”同樣的機制，如果CRC出錯也可以請求重傳。連續的數據區便于接收端和發送端啟用EDMA模式，極大提高傳輸大量數據的效率。
構建的“幀”結構如下表所示。
“指令”幀格式：
0x55AA 序號 已接收序號 指令1 指令2 …… 指令20 CRC
“數據”幀格式：
0x55A5 序號 數據長度 數據…… CRC
采用上述協議后，有效地保障了SPI主機和從機之間雙向、可靠、高速、穩定的指令和數據傳輸。
5.結論
在我們設計的水聲通信機中，采用了上述改進型SPI接口協議，TMS320C6747和TMS320DM642最小系統板之間以SPI接口進行板間連接，采用非屏蔽杜邦排線，長度大約10cm，實際測試表明，SPI時鐘速率在8.6 MHz時可穩定進行指令和數據的全雙工通信。由于通過SPI接口傳輸一個字節最少需要8個時鐘，加上發送端準備數據、接收端解析并處理數據的開銷等，實際測試能以800kB/s穩定通信。
參考文獻
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基金項目：福建省自然科學基金（項目編號：2013J01253）;中央高校基本科研業務費專項資金資助（項目編號：2010121062）;國家自然科學基金（項目編號：61301098）資助。
作者簡介：
解永軍（1978―），男，工程師，主要研究方向：單片機與嵌入式系統，水聲通信技術。
【關鍵詞】網絡節點；wince；信道沖突；數據通信；網絡協議
1.引言
隨著嵌入式系統在各個領域的廣泛應用，嵌入式系統的軟件開發變得越來越重要，而對于嵌入式的開發環境也有了新的要求[1]。在我國，嵌入式系統軟件的開發正處在初級階段，普遍用的是國外產品，所以對嵌入式系統的研究有著極其重要的意義[2]。嵌入式系統通信模式一般是由宿主機/目標機的模式進行[3]，其調試過程分為兩部分，一部分是編譯軟件運行在宿主機（如PC機）上，另一部分是編譯軟件需要下載到目標機（如移動設備或者魚雷等）上[4]。由于水下通信網絡中水聲信道的特殊性，在實際的應用中，往往需要三個或者以上的節點設備進行網絡通信，這樣就會出現通信信道沖突的問題，要解決這個問題，就需要在各個節點進行通信的過程中設計一種通信協議。本文設計的一種通信協議可以有效的改善多節點通信信道沖突的問題。
2.水下通信網絡節點概述
2.1 單節點系統
所謂節點簡單而言就是指的具有收發數據功能的電腦或其他設備。擁有唯一的網絡地址的設備都可以稱作網絡節點，如工作站、終端設備、服務器、網絡設備等，各個節點之間具有通信功能，可以進行收發數據。
2.2 三節點通信網絡概述
本文中三節點通信系統是由三個同樣的單節點系統組成，每個節點需要完成的功能是，ARM分別通過網口，串口控制與之相連的DSP、PC機、SD卡和姿態方位儀之間的數據通訊。各個節點之間可以通過水聲網絡收發數據，保證其通信信道的通暢性，不沖突性，其示意圖如圖1所示。
如圖1所示，為三個節點組成的節點通信網絡，在本文中A、B、C三個節點是具有相同功能的節點。A節點與B節點之間的信道為AB信道，B節點與C節點之間的信道為BC信道，A節點與C節點之間的信道為AC信道，為了保證三個節點之間在進行自主通信時，不會因為信道沖突而出現未知的錯誤，本文需要通過設計三節點網絡通信協議，驗證水下通信網絡節點三節點通信協議的實現。在實際的水聲通信網絡中，往往需要多個節點進行通信，三節點通信協議的實現，為多節點水聲通信的實現打下了基礎。
3.基于CSMA協議/RTS-CTS機制的三節點網絡協議程序設計
3.1 水下通信網絡節點三節點接收數據程序設計
通過對CSMA協議和RTS-CTS機制的研究，本文設計了一種基于CSMA協議/RTS-CTS機制的網絡協議來改善水聲通信信道的沖突問題。本文提出如下的設計思路[6]來改善這種信道沖突，定義該三節點網絡通信發送數據的數據幀為如下表所示的格式。
信號類型 目的節點 源節點 待發送數據 結束符
信號類型指的是RTS信號（用0x00表示），CTS信號（用0x01表示），DATA數據（用0x02表示）和ACK信號（用0x03表示）。目的節點指的是要向哪個節點發送數據：A節點（用0x00表示），B節點（用0x01表示）C節點（用0x02表示）。源節點指的是數據來自于哪個節點：A節點（用0x00表示），B節點（用0x01表示）和C節點（用0x02表示）。待發送數據就是實際要發送的數據，這里的字節位數因實際數據的長度而定。
通過以上的定義，不管哪個節點收到了數據，都可以通過判斷數據幀的前六位知道，該數據是什么類型的，由哪個節點發出的，是發給誰的。那么該節點就可以知道應該給哪個節點回復什么類型的數據，以及通過對收到數據的源節點個數來判斷當前信道是否沖突。本文處理信道沖突的方法是，讓發送數據的節點退避等待一段隨機的時間，再次請求通信。以A節點收到數據是否為RTS信號為例，其程序設計流程如圖2所示。
同樣的，判斷數據是否為CTS信號或DATA數據其設計思想也是如此。
對于收到的數據是ACK信號時，對數據類型，目的節點的判斷與前面的程序流程一樣，而對源節點的處理采用的方式是，判斷數據是不是由B節點發送的ACK信號，如果是，判斷當前有沒有C節點與之請求信道的信號，即C_RTS信號是否為真，如果有，說明信道有沖突，之前對B節點發送的數據可能出現錯誤。造成這種結果的原因是，在B節點接收A節點的數據的時候，C節點對A節點發送的RTS信號同時也被B節點收到，那么B節點實際收到的數據就是兩個節點發送數據和信號的疊加。A節點就需要重新對B節點發送數據，同時暫時拒絕與C節點的通信。如果當前沒有C節點的請求信道信號，說明信道沒有沖突，將沖突標志位置假，并反饋給B節點，告訴B節點數據接收完畢。
對收到ACK信號的處理程序設計流程如圖3所示。
3.2 水下通信網絡節點三節點發送數據程序設計
對于發送數據節點，其數據類型也是RTS信號，CTS信號，數據信號和ACK信號。在發送這些信號和數據前，都需要對當前的信道進行判斷，是否信道沖突。本文的程序中是用沖突標志位（m_bCollision）值的真假來判斷的，若為真，表示信道沖突，若為假，則表示信道空閑。當信道空閑和發送沖突之后，該節點需要對這兩種情況進行相應的處理，來延續后續的通信。以下以節點發送RTS信號為例來介紹其具體的設計過程。
在發送RTS信號之前，首先判斷沖突標志位是否為真，如果是，則隨機等待一段時間，并啟動退避變量（程序中為RTSWait_i），直到沖突標志位值為假。每隨機等待一段時間，RTSWait_i自加1，當退避次數大于3，沖突標志位仍未真，則放棄本次通信，隨機延時一段時間，重新準備發送RTS信號。如果首先判斷的沖突標志為假，則表示信道空閑，發送RTS信號，同時啟動定時器等待CTS信號的來臨，如果等待時間超過了規定的時間（這個時間值因具體的水下通信環境而定——信號的傳播速度和節點之間的距離等），認定當前信道沖突，對信道標志位重新判斷，若為假，重新發送RTS信號。每一次重新發送RTS信號都會用一個變量來計量重發的次數，如果次數超過3次，則放棄重發，隨機延時一段時間，重新準備通信請求。其設計的程序流程如圖4所示。同樣，對于發送CTS信號和DATA數據也是如此。
對于發送ACK信號，是在數據已經準確接收完之后，回復給發送節點的信息，所以節點發送ACK信號主要考慮的是在回復信息的時候，判斷信道是否空閑，如果空閑，就可以發送ACK信號，如果沖突，隨機等待一段時間等待信道空閑，并同時進行退避操作，用退避變量記錄退避次數，當退避次數小于3次時，信道空閑了就可以直接發送ACK信號，當退避次數大于3次，信道仍沖突，就繼續等待。
4.水下通信網絡節點三節點網絡協議實驗實現
按照以上的設計思路，用A節點向B和C節點發送RTS信號，進行通信調試，其具體調試過程和實驗結果：
將編寫好的帶有通信協議的服務器程序下載到A節點ARM中啟動，分別用兩臺PC機模擬B節點和C節點，將編寫好的帶有通信協議的客戶端程序在B，C節點中啟動，與A節點中的服務器程序（帶有協議）建立連接。點擊服務器端的“自動1按鈕”，向B節點請求通信，發送數據為“0x0001001111111111”表示發送的是RTS信號，由A節點發出給B節點，發送的數據為“0x1111111111”。得到如圖5的調試結果：
由圖5可以看出，整個協議運行的機制，當對B節點發送RTS信號之后，收到了B節點的CTS信號，然后自動發送數據給B節點，B節點接收完數據，回復給A節點ACK信號，完成了此次通信，說明此時信道是不沖突的。發送控件中顯示的數據“0201001111111111”是A節點發送的數據信號。
接著點擊“自動2”按鈕，得到如圖6的調試結果：
如圖6所示，當點擊按鈕“自動2”之后，A節點向C節點發送RTS信號，等待C節點回復CTS信號，等待超過10ms，重新傳送RTS信號，當等待次數超過3次，仍舊沒有收到來自于C節點的CTS信號，則放棄本次操作，退避等待1ms（這里的1ms是隨機的時間，恰好為1ms），再次發送RTS信號?？梢钥吹?，這種處理的方式有效地改善了因為信道沖突而出現數據丟失的情況，達到了預期設計的要求，完成了水下通信網絡三節點網絡協議實現的設計實驗。
5.結束語
對水下通信網絡節點信道沖突問題進行了研究，將CSMA協議和RTS-CTS機制應用到三節點網絡協議程序設計中，改善了三節點網絡中各個節點收發數據時的各種信道沖突問題，通過編程和調試實驗對該協議進行驗證，證明了這種設計思想和方法對改善水下通信網絡通信信道沖突問題的可行性，驗證了水聲通信網絡節點三節點網絡協議的實現。
參考文獻
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近些年來,所有的企業在擴展信息傳輸系統的功能方面受到了兼容性的嚴重制約,因為監控系統的軟件和硬件在擴充和補套以及服務上都對既定的廠家存在著極大的依賴性。如果企業運用的監控系統出現問題而無法解決,那么就只有采購其他廠家的監控系統進行替代。所以說,混亂的通信協議嚴重局限了系統補套和升級改良系統軟硬件,企業不斷的更換系統設備,造成了極大的成本浪費。在這種情況下,我國難以形成有序、良性的安全監控系統市場競爭,而行業壟斷的出現可謂是必然。文章以這個大背景為前提,分析和研究了統一的監控系統通信協議。
1監控系統分站統一通信協議框架
1.1制定監控系統分站統一通信協議的目的
監控系統不同,其分站與主站之間就會存在不一致的通信協議,必然會導致難以互相調換其分站的結果。假設我們能夠采用相同的通信協議來設計監控系統的分站,則當我們另外一個廠家生產的分站來代替原有分站時,系統的運行就不會受到設備更換的影響,用戶應用起來也比較方便,同時也會造成市場上的競爭加劇,進而降低其價格。對于監控系統的主站來說,分站的通信協議統一化也能夠提升其軟件水平,即便是部分卓越的軟件公司沒有具有競爭力的硬件產品,其也能夠將優秀的軟件應用于安全監控系統中。這就是對監控系統統一通信協議進行研究的一個原因。除此之外,企業在構建信息化平臺方面也會受益于監控系統通信協議的統一。
1.2統一通信協議構架
監控通信協議幀的一般格式,以此為基礎我們相應的構架來對監控系統通信協議進行構建,無論是主從通信結構還是無主通信結構都能夠運用此通信協議。
2監控系統中心站數據通信框架
因為一致的通信協議不能馬上應用于監控系統所有的分站,而分站數據不能直接被高層的應用接收,因此監控系統接入協議必須進行專門的制定。下面羅列的類型可供監控系統中心站接入協議選擇:(1)文件共享型。以采樣周期或者規定的時間為單位,監控系統設計者將一組數據文件以規范的文件結構形式進行共享,其他的應用就能夠獲取到相應的信息,目前所有的監控系統都能夠在保證系統正常運行的情況下實現這種方式的文件共享。2)數據庫共享型。對于數據庫來說,其優勢為開放性、標準化和完備的支持環境,采用數據庫形式,監控系統能夠共享實時數據或者歷史數據,以此為基礎構建的數據共享標準化模型也非常優秀。(3)應用軟件在過去必須通過特定的接口程序才能連接到現場設備或者應用程序,之后才能完成通信,加大應用程序之間通信的難度,以COM為基礎,規范了工業自動化軟件接口便形成了OPC,監控中心站軟件業可以通過OPC方式連接其他軟件,進而完成數據信息的傳輸,而為了保證OPC與開發環境相兼容,微軟平臺成為了開發中心站軟件的基礎。(4)對象管理集團OMG針對分布對象提出了一種解決方案,就是所謂的CORBA,而且近些年出現的眾多產品都能夠與CORBA相匹配。對象管理集團研發了對象管理架構用來對分布計算機系統的異構性進行解決。下圖2顯示的就是具體的對象管理架構。各個模塊之間通過對象請求這條軟件總線進行通信和協作是該架構的核心。
3結語
我國監控系統當前缺乏規范的歷史數據存儲,而系統存儲數據的方式有文件存儲和數據存儲兩種方式。只有采用SQL或者ORACLE等數據庫存儲歷史數據,才能方便的、整體的分析歷史數據。根據以上分析得出,當前最為重要的就是對安全監控系統通信協議進行構建,同時對數據交換標準進行規范。
作者：賈玉謙 單位：中國移動通信集團河北有限公司
關鍵詞：RS-485；Modbus通信協議；數據采集；監控系統
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）22-5182-03
隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，監控系統出現了多種新的實現方式，與此同時，我國經濟的迅速發展，能源需求不斷增長與能源相對不足的矛盾日益嚴重，節能成為了全社會共同關注的話題。利用RS-485將建筑物內的智能電表數據采集出來，以Modbus協議與上位機PC進行通訊，使得建筑物內不同位置的智能電表組成一個網絡，構成一個監控系統，操作人員利用上位機PC監控軟件即可對整個建筑物內的用電情況進行采集，處理，實現控制目的。
1 Modbus協議
1.1 Modbus簡介
Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。不同廠商生產的控制設備可以通過該協議連接成一個工業網絡，來完成集中監控。
這個協議定義了一個用來認識所使用的消息結構的控制器，不需要了解消息是經過何種網絡進行通訊的。Modbus協議描述了一控制器對其他設備的請求與回應過程，以及如何偵測錯誤并記錄，Modbus協議制定了消息域格局和內容的公共格式。
Modbus協議在網絡上進行通訊時，決定了每個控制器必須了解它們的設備地址，通過識別按地址發送來的消息，決定是否應答，控制器使用Modbus協議發送反饋信息，這個消息轉換成其他網絡所使用的數據幀或者包結構。
1.2 Modbus傳輸方式
控制器可以設置成兩種傳輸模式（ASCII或RTU），。當設備以ASCII 模式進行通信時，消息中的每一個8 位的字節作為兩個ASCII 字符傳輸。當設備以RTU 模式進行通信時，消息中的每一個8 位的字節分成兩個4 位的16 進制的字符傳輸[2]。因此在相同的波特率下RTU 模式有更高的傳輸密度，可以傳播更多數據（相比ASCII），應用也更廣。用戶可以選擇想要的模式，包括串口通訊參數（波特率，比特率，校驗方式），同一個網絡上的所有設備必須使用相同的傳輸模式和串口參數。
1.3 Modbus報文
本建筑能耗監控系統使用的是RTU傳輸模式。
在Modbus協議中，RTU模式與ASCII不同，沒有起始符和結束符，具體格式如表1所示，要進行一次消息發送，至少要以3.5個字符時間（T1-T2-T3-T4） 作為停頓間隔表示開始，同樣的，也至少要以3.5個字符時間作為停頓間隔表示消息結束。
在Modbus（RTU）數據幀之中，地址碼表示主機發往的從機的地址，同一個485總線中最多能有255個從機地址，數據碼之中包含主機對從機進行的功能命令，功能代碼分成三類：公共功能代碼、用戶定義的功能代碼和保留的功能代碼[1]。數據碼根據功能碼的不同而改變，包含了主機的執行命令或者從機的反饋數據，CRC校驗碼是2個字節的錯誤檢測碼，用于讓主機或從機判斷收到的信息是否發生錯誤，增加了系統的安全和效率。
2 系統的整體設計
本系統主要由一臺PC上位機，多臺監控儀表下位機，以及RS-485轉以太網轉換器以及一個局域網環境組成，系統原理圖如圖1所示。
上位機PC通過現有網絡環境，經過RS-485轉以太網轉換器后，與由下位機組成的RS485總線相連，與下位機進行數據通訊。
為了避免RS-485總線通訊競爭以及沖突，系統采用比較常用的主從通訊控制方法，即在每一個RS-485的總線系統中，每一臺下位機都擁有唯一的地址碼，采用的通訊方式是上位機輪詢，下位機應答。
因為每一個RS-485的總線系統中，下位機的個數最多只能由255個，所以通過RS485轉以太網轉換器，配合建筑已有的網絡環境，可以進行設備數量的擴充，并且利用已有的網絡環境，可以省去大部分位RS485總線進行布線的步驟，增加系統的兼容性。
3 系統的硬件設備
本系統所需的硬件設備并不需要特別指定型號與廠家，根據實際需要，現場設備，智能電表可以根據使用者的相應情況，選擇具有RS-485接口的智能電表即可。
RS458以太網轉換器，采用濟南有人科技有限公司的USR-TCP232-500多功能串口轉以太網轉換器，轉換器的硬件原理圖，如圖2所示?？梢詫CP網絡數據包或UDP數據包與RS232/RS422/RS485接口數據實行透明傳輸，內部集成了TCP/IP協議棧，可以利用它完成嵌入式設備的網絡功能，模塊集成10/100M自適應以太網接口，串口最高波特率支持460800，功耗低，搭載ARMCortex-M3處理器。
4 系統的軟件設計
4.1 通訊程序
本系統上位機PC采用Socket通訊方式，將符合Modbus協議的Modbus報文傳給串口服務器，再由串口服務器轉發到RS-485總線，最終由下位機設備接收并反饋信息，Socket連接方式為UDP連接，因為網絡環境是在局域網中使用，UDP連接出錯概率極低，系統開銷小，傳輸速度大，對網絡資源利用率高。
上位機使用通訊程序與以太網轉換器建立起UDP連接，向RS-485以太網轉換器發送Modbus協議報文，通過下位機的反應，判斷下位機是否存在，確認下位機的存在后，向下位機發送信息查詢命令，具體流程如圖3所示，然后下位機返回反饋信息，上位機對返回的Modbus協議報文進行分析，經過報文分析以后，上位機提取出相應的數據，然后存入數據庫，具體流程如圖4所示。下位機程序流程如圖5所示。
4.2 數據統計程序
上位機通過與下位機的數據通訊，獲得了由下位機采集而來的數據，并將這些數據存入數據庫，之后可以對采集而來的數據進行統計，整理，分析，本系統可運用數據統計程序，可以將這些數據歸類整理，繪制成所需要的圖示。
可使用JAVA編程，對數據庫進行訪問，提取出其中所需要的數據，繪制成圖表，如分類查詢以及能耗數據統計圖，統計表以及相關的用戶管理等。對處理后的數據用圖像，表格等形式通過客戶端實時顯示。
5 結束語
Modbus協議是一種標準，通用的總線協議，其免費，支持多接口，幀格式簡單，緊湊，通俗易懂等優點，使得其在工業現場中獲得了廣泛的應用，該文基于Modbus協議設計了一套建筑能耗監控系統，通過對Modbus協議，RS-485通訊，以及Socket通訊，UDP連接等分析，設計了系統硬件之間的通訊連接和程序，并給出部分程序示例。本系統對不同廠商的硬件具有較高兼容性，擴展性，不僅能完成對電器設備的能耗監控，還可拓展應用于其他智能設備，具有不錯的推廣前景。
參考文獻：
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（上接第5184頁）
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這幾天網速感覺有點慢，有時網頁打開都有點吃力，因為是處于局域網內也沒怎么在意。只是這兩天有點不正常，偶爾會在上網過程中，突然有個窗口一閃而過，仔細檢查也沒什么兩樣，過后越想越感覺不對勁，馬上啟動360安全衛士（以下簡稱安全衛士）進行木馬與惡意軟件查殺，不查不知道，竟然有七個盜號木馬，趕緊刪除，可安全衛士提示，需要重新啟動后才能生效。
第二天打開電腦，在上網過程中情景依舊，又是一個窗口一閃而過，感覺不行，這次是安全衛士與殺毒軟件同時查殺，依然有木馬存在。無奈進入安全模式下再次查殺，又是顯示木馬已清除。正常啟動后，再次查殺，木馬依然存在（如圖1），無語……
思前想后，木馬不能徹底清除的原因是不是將病毒注入到其它進程中了？于是打開“任務管理器”發現有個“explorer.exe”的進程不同于桌面的“Explorer.EXE”進程，先將其結束，再次打開安全衛士進行木馬查殺，木馬依舊存在，幾次查殺都是如此。于是按路徑提示進入打開文件，嘗試手動將文件刪除，卻顯示無法刪除。于是，打開安全衛士的高級工具中的“文件粉碎機”，按路徑提示，打開木馬文件進行粉碎，當再次打開木馬文件所的位置時，木馬文件又自動生成。當打開“服務”窗口時，在“服務”窗口中也顯示有自建服務項，并且，在服務中沒有任何描述（如圖2），右擊該服務，在其屬性窗口中也沒任何依存說明，先將其禁用再說?？紤]到每次木馬文件都能自動生成并隨機啟動，是不是在注冊表的啟動項中添加了啟動鍵值呢？于是，打開注冊表，進入“HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Windows\CurrentVersion\Run”，先將要操作的鍵值導出、備份保存，以防萬一。然后將啟動項下的木馬鍵值刪除，再點擊“編輯查找”，在打開的“查找”窗口中輸入木馬文件名稱，進行查找，并執行刪除，此時怪事又出現了，剛剛刪除的木馬鍵值又能自動恢復（如圖3）。無奈只好是先從別處著手刪除進行“查找下一個”，可在刪除的過程中，要刪除的鍵值卻無法刪除，幾次刪除無果，突然靈機一動是不是權限不夠？馬上在鍵值上右擊鼠標，選擇“權限”，在打開的權限窗口，將管理員權限設置為“完全控制”，再次執行刪除，立馬見效。繼續執行“編輯查找”，直到將所有可疑鍵值刪除為止（如圖4）。
待重新啟動電腦后，再次點擊安全衛士圖標啟動安全衛士時，意外出現了，安全衛士竟然無法啟動了，進入其安裝文件，點擊相應的圖標，結果毫無反應，點擊“修復工具”按鈕，萬幸的是還可以打開使用，在打開的“修復提示”窗口中，考慮到三番五次查殺都不能徹底清除，修復后的安全衛士估計還是不能徹底清除。于是，點擊“下載新版本”，待進入安全衛士網站后，看到有個“360頑固木馬專殺大全”，決定下載嘗試一下（因為每次在查殺木馬時，都是先將木馬特征庫升級到最新，查殺結果同樣不理想），下載完成后，打開壓縮包，按提示點擊“SuperKiller.exe”程序進行木馬查殺，結果是又查出了17個木馬（如圖5），完成樣本上傳后，點擊“清除”，再次重新啟動電腦。
重新啟動后，結果卻出現了殺毒后遺癥，啟動正常，可就是不能進入桌面，桌面中無任何顯示，“任務管理器”也無法打開。無奈只好按下重啟按鈕，再次進入安全模式，而安全模式卻可以正常顯示，其它程序也能正常工作，木馬查殺也顯示正常。再次重啟電腦，這次卻顯示正常了，于是，打開殺毒軟件，先更新病毒庫再進行掃描，掃描結果顯示正常。打開安全衛士進行木馬查殺，查殺結果也顯示正常，至此，在上網過程中再也沒有不明窗口一閃而過的現象了，網速也接時，一切回復正常。
提示
雖說每次打開360安全衛士時都會自動更新特征庫信息，但是，對于某些頑固木馬的查殺卻還是顯得無能為力。所以，當遇有不能查殺的頑固木馬時，不要迷信什么最新版本，建議嘗試下載“360頑固木馬專殺大全”試試，用“360頑固木馬專殺大全”和殺毒軟件同時在安全模式下進行木馬查殺，這樣基本上就可以少走很多彎路，直接將頑固木馬徹底清除。
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【關鍵詞】電子計算機聯鎖系統 通信協議設計 通信協議安全性
鐵道信號、信息是鐵路安全運輸安全性的基礎。隨著計算機技術的快速發展，鐵道部門摒棄了傳統的重力式繼電器，改用全電子計算機聯鎖系統控制鐵道信號。這種控制方法可以有效縮減鐵道信號控制室的面積，增強維護能力，而且施工量也較小。由于其自身的優越性，目前大多數鐵道部門正逐漸將其推廣。但是，電子計算機聯鎖系統在信息傳輸的過程中具有一定的風險，因此，必須設計相關的安全通信協議，保證鐵路信號可以得到有效的控制。
1 電子計算機聯鎖系統
1.1 電子計算機聯鎖系統結構以及工作原理
1.1.1 聯鎖系統結構
我國傳統的信號控制主要是通過6502電子集中聯鎖系統或者傳統電子計算機聯鎖系統控制重力繼電器來完成信號控制，這種控制方法占地面積大，維修難度大，機械的壽命周期短等。隨著通信技術與計算機技術的快速發展，新的電子計算機聯鎖系統采用全電子化控制，取消了重力繼電器，這將使信號控制以及數據傳輸更加科學與準確。
全電子計算機作為新的控制系統，其主要利用電子開關技術、計算機技術，通信技術、自動監測技術以及數字化技術對鐵路信號的控制。全電子計算機主要有上位機，聯鎖機和執行單元構成，其硬件采用了冗余結構形式。電子執行單元主要是由信號、岔道模塊以及其他不同的電子單元構成。
1.1.2 聯鎖系統工作原理
全電子計算機聯鎖系統主要的工作原理是命令-執行與信息反饋。電子計算機上位機發出命令，通過聯鎖機將命令信息發送給電子執行單元。電子單元采集室外設備信息，將信息傳送到聯鎖機，聯鎖機將設備信息進行處理，發送到上位機與顯示存儲上，維修人員通過檢查顯示存儲內容，就可以準確的找到設備的機械故障，這樣可以減少工作人員的時間。
1.2 聯鎖主機與控制模塊之間的信息傳輸
控制模塊主要包括信號機模塊、轉轍機模塊以及軌道電路模塊，通過聯鎖主機下發命令控制模塊的運行，從而控制整個鐵路系統。以信號機模塊為例，信號機模塊向聯鎖機上傳17種狀態信息，連鎖主機向信號機模塊下達16種命令信息。列車信號機模塊有8個燈位，每個等位有三種狀態：滅燈，閃燈，穩定燈。如圖1所示。
根據連鎖機下達的命令不同，信號機模塊通過命令信息控制不同的燈位，以此來達到信的效應，保證列車的安全運輸。
2 電子計算機聯鎖系統通信協議設計以及安全性分析
2.1 電子計算機聯鎖系統通信協議設計
鐵路系統要求電子計算機聯鎖系統安全性高，安全等級必須達到SIL4級。這就要求電子計算機聯鎖系統必須采用內部封閉式的信息傳輸系統，避免信息在傳輸的過程中受到截取或者破壞，因此系統通信協議的設計必須注意其安全性與實時性。
在計算機聯鎖系統的設計中要關注重重復、插入、錯序、刪除、損壞、延時這六種隱患。因此，在設計中要充分考慮計算機聯鎖系統的可靠性與負載能力，保證聯鎖主機能夠準確，及時的控制三個子系統，能夠保證從命令下達到信息執行到信息反饋這一周期的時間不大于250毫秒，保證系統運行的及時性，才能確保運輸系統的安全性。在上位機與三個狀態模塊之間都要設計8bit的源地址和16bit的目標地址。在上位機的指令幀上，指令序號設為8bit，每完成一個指令周期，記錄模塊就會自動記錄，指令幀序號就會自動加一。當指令序號小于上一次的指令序號，模塊機就會將指令序號錯誤的信息發送于顯示記錄器，機組維修人員就可以及時維修指令機。如果指令序號和上一次序號一樣，就說明指令機在重發。根據聯鎖機傳遞給各個模塊的信息量以及幀的大小、長度不同，需要將狀態幀設為3bit。此外，為了確保系統的安全性與及時性，狀態幀和指令幀都應用了復雜的驗證碼。如果一個模塊一小時連續接受一百幀以內的錯誤驗證碼，這個連鎖系統依舊可以安全運行，如果一個模塊一小時內連續接收到接收到1千幀的錯誤密碼，聯鎖系統就會直接輸出安全指令，避免由于錯誤驗證碼對整個系統造成的損壞。如果狀態幀接收到信息實踐超過了250毫秒，那么就表明出現了通信延遲現象，該數據直接被視為無效數據。
2.2 電子計算機聯鎖系統通信協議安全性分析
如果在鐵路運輸過程中，電子計算機聯網系統信息傳遞發生誤傳、延時甚至信息傳遞錯誤等情況，這將直接導致鐵路運輸出現安全隱患，嚴重的情況下將會威脅人民的生命、財產安全。在系統信息傳輸的過程中，主要導致信息傳輸錯誤的有三種情況：
（1）控制器硬件發生損壞，最常見的損壞部位是隔離光柵和接口芯片。硬件損壞會導致基礎設備的參數的丟失，在沒有參數的基礎下，信息就無法辨認對錯，這將導致錯誤信息的發送，影響整體的網絡的安全。
（2）外部電磁對電子計算機系統的影響，這要求技術人員要加強對電子計算機的保護，避免電磁對計算機準確性形成不利影響。
（3）控制器局域網絡發生故障，這就要求技術人員要積極地應用現代數字信息技術，加強計算機網絡結構的嚴謹性與安全性。
3 結束語
綜上所述，電子計算機聯鎖系統通信協議的設計對于信息的傳送有著重要的作用，因此，要加強安全協議設的安全性與科學性。在設計的過程中，要保證實時性仿真，構建科學的仿真場景以及準確的分析仿真結果，從而來確保通信協議設計的科學性與安全性。
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關鍵詞：VxWorks；MPC8260；HDLC；媒體網關系統
1 引言
媒體網關系統中包括一個主控系統，以及電路中繼、光中繼、電路交換、多方會議、聲碼器等子系統。為了實現各系統間的信息傳遞、控制和管理，需要將各系統互聯。出于易用性、擴展性和維護成本等多方面因素的考慮，各系統間的互聯采用HDLC協議。
MPC8260是一種功能強大的RISC處理器，具有HDLC、以太網、串行口等多種通訊接口。Vxworks 操作系統是一個內核精簡、高效的嵌入式實時操作系統。本文主要論述如何利用MPC8260的MCC接口和HDLC協議，使媒體網關系統中主控系統與其他子系統互聯。
2 HDLC協議概述
HDLC（High-Level Data Link Control，高層數據鏈路協議）是一組用于在網絡節點間傳送數據的協議，是在數據鏈路層中廣泛使用的一種協議。在HDLC 協議中，數據被組成一個個的單元（稱為幀），通過網絡傳輸，由接收方確認收到，同時HDLC協議也管理數據流和數據發送的間隔時間。HDLC協議中每幀所傳輸的數據可以含有任意數量的比特位，而且幀的開始和結束是靠約定的比特模式（標志）來定界的，是一種“面向比特”的協議。HDLC的幀格式見圖1。地址是目的地址，控制字節根據不同的內容定義不同的幀類型，每幀中所傳輸的數據長度為8的任意整數倍，每幀數據都需要作CRC校驗。
3 VxWorks操作系統
VxWorks 操作系統是美國Wind River公司設計開發的嵌入式實時操作系統。Tornado是該公司推出的實時操作系統開發環境，提供了豐富的調試工具和仿真環境。VxWorks 操作系統主要由以下部件組成：Wind內核、I/O系統、文件系統、網絡系統、設備驅動等。通常利用開發環境Tornado，通過以太網將運行于主機的目標服務器和運行于目標機的目標連接，以方便調試程序。VxWorks的系統結構是一個相當小的微內核層次結構。內核提供多任務環境、進程間通信和同步功能。這些功能模塊可以滿足VxWorks在較高層次提供高性能的要求。該操作系統因具有極高的可靠性、實時性和可裁減性等特點，得到了越來越廣泛的應用。
4 MPC8260微處理器
MPC8260 PowerQUICCTM II處理器是飛思卡爾公司推出的一款高端通信處理器，具有極高的靈活性、擴展能力和集成度。MPC8260有兩個主要組成部分: PowerPC內核和通信處理模塊CPM。CPM同時支持多個通訊控制器，如FCC、MCC、SCC、SMC等。其中的MCC、FCC等接口有復用功能，用戶可根據自己的實際需要將其配置為HDLC、Ethernet等工作模式。由于CPM分擔了PowerPC內核的工作任務，這種雙處理器體系結構的性能要高于具有傳統體系結構的處理器。高性能的PowerPC 內核和多功能的CPM的組合，配合各功能芯片，能夠實現與周邊各種類型模塊通信，在網絡和通信產品的開發方面提供了巨大的潛力。
5 基于MPC8260的HDLC協議的實現和應用
媒體網關系統的主控系統采用MPC8260處理器，為了便于主控系統控制、管理其它子系統，硬件上通過背板采用HDLC總線的方式與其它系統互聯。屬于點對多點總線式網絡結構，采用正常的數據傳送響應模式，圖2為HDLC網絡系統結構圖。主控系統可以直接發送數據，并輪詢接收數據。而子系統的語音、數據、信令消息也可以通過HDLC總線直接發送給主控系統。主控系統的MPC8260支持多種網絡協議，利用它的一個MCC口支持HDLC協議。主控系統采用輪詢方式與子系統進行通訊，由8比特的地址字節來標識各子系統。子系統平時處于等待發送/接收狀態，只有收到數據的地址碼和本地址相同時數據才進行接收。同時子系統的數據按固定地址通過總線送給主控系統。數據收發完成后，再次進入等待發送/接收狀態。
在媒體網關系統中，采用VxWorks在MPC8260的MCC接口上實現HDLC協議的軟件主要包括BSP程序和網絡通訊協議程序兩部分。BSP程序對MCC口上的HDLC數據幀進行中斷收發，通過消息傳遞的方式和上層程序進行信息交互。網絡通訊協議程序主要用于保證傳輸的可靠性，對傳輸的HDLC數據幀進行解析，并進行不同的處理。上層應用程序用戶可根據需要傳輸特定的內容。軟件層次結構從上到下依次由上層應用程序、HDLC通訊協議、VxWorks操作系統及HDLC的BSP、硬件四部分組成。
在差錯控制方面，媒體網關系統中包括語音、數據、信令消息，因此對數據鏈路差錯要求各不相同。對語音時延要求高，允許適當丟包；數據在應用層做差錯控制；信令對鏈路可靠性要求高，需在數據鏈路層進行差錯控制。綜合考慮系統實現的復雜性、通信效率、系統開銷等因素，可以選擇錯幀重發機制作為通信的數據鏈路層的流量和差錯控制機制。在協議上，通過HDLC的P/F位進行差錯的監測與恢復。用戶可以通過以太網和主控系統連接，進而方便地監控、配置、管理通過HDLC總線連接的各子系統。經過長時間的應用和測試，該系統運行穩定，性能良好。
6 結論
本文介紹了嵌入式媒體網關系統中各子系統間通過HDLC實現通信的方法，該方法已經在目前的基于CDMA20001x移動通信系統中得到商用，在系統可靠性、穩定性方面都取得了很好的效果，具有很高的推廣價值。
參考文獻
[1]Vxworks Programmer's Guide 5.5.Wind River System,Inc.,2003.
1通信協議的分類
在智能電網調度自動化中，通信協議主要分為這樣兩種：一是主流通信協議，二是通信協議集成。
1.1主流通信協議
經過長期的研究與探索，我們發現傳統的循環式遠動協議（CDT）已經遠遠不能滿足如今的應用，因此，1EC60870—5—101、IEC60870—5—10的誕生逐漸將CDT取而代之，順利成為EMS和RTU之間的主流遠動通信協議。而對于電力系統實時數據通信應用層協議（DIA76—92）與EMS之間的主流計算機通信協議，如今已被新誕生的1EC60870—6TASE所取代。1EC60870—6TASE的出現實際上是以RS232的串口通信遠東協議作為基礎，其傳送信息的方式主要是通過規定的報文格式。遠動通信報文主要包含這樣三個要素：報文頭、報文長度以及信息對象。這里，報文頭具體是指信息的類型，報文長度主要是指信息對象的數目，信息對象主要包括地址、數值和質量代碼。EMS和RTU通過組裝和解析通信報文，進行高效率的信息傳輸。通常，遠動通信協議傳送的信息對象是具有一定限制的，例如IEC60870—5—101，該通信協議的報文長度通常不會超過二百二十五個字節。在傳送的信息發生變化時，通信協議可以在第一時間進行優先傳送。例如，IEC60870—5—104IEC60870—5—101一般用在TCP／IP網絡協議之上。TASE.2也是一種新型的通信協議，但是TASE．2協議僅僅是應用層的網絡協議，對于TASE．2協議，我們對其進行了對象模型和方法的定義，這樣就為EMS提供了系統互聯的解決方案。對于不同廠家的EMS系統，TASE．2協議不再需要追究其數據格式以及一些細節，可以與EMS進行自由的通信。TASE．2協議的建立在MMS協議的基礎之上，還實現了之前所不能完成的許多功能，像是按英文名進行信息的傳輸。而我國的TASE．2協議通信軟件的開發通常是建立在美國國SISCO公司提供的ICCPTool—kitforMMS—EASE協議之上，充分利用ICCP的功能，對回調函數進行發送和收集。
1.2通信協議集成
過去，對于計算機的使用具有十分多的限制，人們經常習慣性的將遠動通信和計算機通信進行區分，將前者稱之為前置機，后者稱之為SCADA通信機。由于計算機技術迅速發展，網絡通信技術也越來越先進，因此，運動通信和計算機通信協議便有了強大的軟硬件的物質基礎。關于電網自動化系統的實時數據接口，主要是通過遠動通信協議和計算機通信協議的集成所完成的，這也使得電網調度自動化系統的應用層次更加鮮明，內部結構更加清晰，有利于電網調度自動化的統一和維護，實現多種通信介質、協議和方式的相互作用。
1.3電網調度自動化內部的PMU
對于信息的采集，RTU主要采集的是相對穩定、密度較低的電網時間斷層面的數據，這樣能夠保證電網的安全優質的運行；PMU采集的一般是高密度（25—100幀／s）和時間相對精確的斷層面的同步數據，通過這樣的嚴密的方式，工作人員可以根據該監控進行電網動態的控制。而關于RTU、PMU和暫態信息為電網的調度自動化的監控和控制做出了相應的延伸，對電網起到了保護的作用。在WAMS中，主要包括WARMAP（電網安全防御及實施預警系統）與PMU。PMU的報文主要包括四種類型：數據幀、配置幀、頭幀和命令幀。PMU在發出前三種幀之后，后一種幀就會與調度匯總新進行雙向的通信，給予PMU充分的支持。所謂數據幀，也就是PMU測量出的結果，其中包含了模擬量、開關量等等。一般，頭幀由使用者提供，需要熱工對其數據進行讀取，在命令幀里，PMU的控制和相關的配置信息也都在里頭有所記載。這里，所有的幀都以2字節作為開頭，幀的類型主要是通過同步字來決定。一般來講，同步字為4—6位，以CRCl6校對字完結。通過對PMU的數據采集進行分解與剖析，我們發現其數據具有這樣兩個特點：1.高密度，2.帶時標。由于WAMS的前置數據設計采用的是二維數據，而其尋址方法采用的是哈希方程，因此，數據對象在進行時標時，則呈現為哈希函數的自變量。
2總結
綜上所述，隨著時代的發展，科學技術的進步，如今人們對于電網建設的要求也越來越高，因此，為了滿足廣大人民的用電需求，保證群眾用電安全，同時也為了促進我國的經濟繁榮發展，社會穩定和諧，智能電網的建設已經成為國家的基本發展戰略，智能電網（smartpowergrids），也就是我們通常所說的電網2.0，它還是一種高集成、高速度的雙向通信技術，它的應用可以實現電網的安全可靠、經濟高效以及環保節約的目標，因此，我們要不斷完善電網調度的自動化系統，創造更加美好的生活。其次是傳輸技術中的改進點。自動化系統中的傳輸，大部分以光纖為主，光纖本身的傳輸能力有限，其對系統中的傳輸也會造成一定的局限性，導致大量通信信息被迫停滯，可在傳輸技術中引入網絡通信的概念，網絡通信可有效對通信進行傳輸、驗證，同時還可實現掙脫通信過程的跟蹤，不僅可解決傳輸技術中的通信限制問題，還可以為檢修人員提供可靠的設備運行信息。最后是互感技術中的改進點。目前我國大部分電力企業的變電站自動化系統中，互感裝置在獲取信息實行保護行為之前，都必須實行遠距離供電，大幅度降低了互感技術的時效性，同時還會降低互感裝置的使用壽命，為保障互感技術在使用中的準確性，可預先測量互感裝置的功率，進而匹配相應的閾值，實際互感裝置工作時，可以保持在合理的功率下，有效避免了遠距離供電。
3結束語
關鍵詞：特點過程；設備選型；實現措施
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.237
0 引言
PLC在電氣控制方面的應用非常廣泛，它屬于一種可編程邏輯控制器。我國這些年在變頻技術方面的發展很迅速，作為這項技術的關鍵部分，變頻器技術很可能會代替直流調速技術。不過變頻器在實際應用過程中，對人工操作非常依賴，需要進一步改進人機互動功能。PLC技術可以解決人機互動能力的缺陷，能夠彌補變頻處理器數據分析處理能力。兩者單獨的缺陷通過完美的結合實現了互補。通過實際應用我們發現，PLC技術結合變頻器技術已經取得了圓滿的效果。所以，為促進社會不斷發展，我們國家應當積極引進PLC自動控制技術。
1 PLC 自動控制系統的特點
PLC自動控制系統取代了繼電器執行邏輯控制功能，它屬于一種可編程邏輯控制器，也算是微型計算機的一種，不過，它是在控制現代化工業制造過程。PLC編程方式比較簡便，應用方法也很簡單；PLC自動控制系統的主要編程模式是梯形圖，操作人員接受這種圖形模式非常容易。該系統的抗干擾能力強，準確性和穩定性都非常高，所以PLC自動控制系統的可信度非常高。PLC自動控制系統相比較于其他控制系統，運行更加穩定，壽命更長。PLC自動控制系統的設計方案很容易維護，也方便安裝。PLC自動控制系統的連接方式也很靈活，容易拆解，它的優點是體積小，功能豐富，適用范圍較廣。
PLC自動控制系統在實際應用中，控制對象是一臺電機，所以只需要一臺PLC就可取得理想的控制效果，但是要求配置性能好，質量高的PLC。應用變頻器技術和PLC技術能夠有效控制和調速電機，能夠大范圍，高效率，連續的調控電機。可以精確控制速度。
PLC自動控制系統把來自傳感器和變頻器的所有信息進行分析，收集并發出具體的控制指令，再向變頻器和危險報警顯示裝置發出這些指令。將PLC自動控制系統輸出信號作為變頻器控制端的輸入信號，控制電機的轉速，與此同時，向PLC反饋變頻器及傳感器的運行狀況，利用PLC自動控制系統分析數據，在運行過程中發生事故或者出現故障時馬上發出報警信號。因為改變電機定子的供電頻率可對變頻進行調速，所以，有效利用PLC自動控制系統和變頻器技術可對電機的運行情況進行精確，高效的控制。
2 PLC實現控制的全過程
（1）在程序設計之前要提前做好準備，要從整體上認識和了解系統信息，掌握受控對象，有效利用硬件及軟件，編制出品質高的程序。
（2）設計程序框圖，應當根據軟件和控制系統需求對程序框圖進行設計，先確定好程序的結構圖，再參照設計標準內容對程序結構圖進行繪制，最終按照工藝要求內容把所有功能單元的功能框架全部繪制出來。
（3）編程要按照已經設計好的程序結構圖進行，在程序設計整體工作中，這部分是關鍵，編寫程序時要求按照程序結構圖逐條進行。
（4）測試已完成編寫的程序，在測試過程中出現任何問題都要及時進行調試檢測和改進，要確保程序始終保持正常運行。
（5）程序說明的書寫內容，程序說明書既介紹了編寫程序內容，也總結了程序設計的相關工作。
3 實現PLC與變頻器技術的措施
（1）變頻器技術和PLC技術可通過通信協議實現。通信協議包括兩種類型，即專用型和通用型。而通用協議也可分為兩種，即自由口通信協議與MODBUS通信協議；其中專用通信協議的定義為，MPI協議與M系變頻器之間通信的PPI與USS協議，是PLC與變頻器之間預定指令的通信協議，專用通信協議能夠實現PLC對變頻器的有效控制。有效運用自由口通信協議，在自由口模式下可有效控制通信自由程序，還能夠在不同類型的變頻器之間實現通信功能。所以，要以程序編寫與通訊調試為基礎，利用自由口通信模式，有效提升PLC和變頻器之間的可靠性。一九七八年，施耐德旗下的Modieon公司提出了MODBUS通信協議，這個通信協議始終被當作國際標準甚至行業標準進行應用，經過對通信協議的分析可知，MODBUS通信協議是串行的，屬于非常典型的通信協議，并且為LPC和CRC校驗提供有效支持。經過實踐可知，幾乎所有的變頻器都能夠對該項通信協議提供支持。
（2）PLC變頻器技術可通過PLC和變頻器I/0端子的連接來實現，根據實際應用情況又把該方法分成兩個方向，一個方向是PLC和數字輸入端連接采用模擬量端子連接PLC，另外一個方向是PLC本身不必攜帶模擬端子，把變頻器模擬量端子連接到PLC擴展模塊上，實現控制目標。由于PLC自身帶有大量的I/O端子，所以需要利用數字輸入端和PLC進行連接，可使用導線與變頻器的輸入端相連接。相對于后者，不但可以控制變頻器的啟動或者停止，還能夠調整變頻器提前設置好的頻率值，當大量數字量輸入端子存在于變頻器中時，就能夠得到大量的預定頻率值。
4 結語
總而言之，PLC自動控制系統具有大量的監控軟件，具備很強的人機互動功能，對變頻器操作方面的缺欠和監控技術的不足之處進行彌補。完美結合變頻器與PLC自動控制系統，取得理想的控制效果，通過這種模式可使變頻器大范圍地應用于越來越多的行業。盡管我們國家這方面的成果比較顯著，但是我們不能感到滿足，還需要理論聯系實際，積極發現問題，積極解決問題，努力探索新的思路，不斷改進和創新PLC與變頻器技術，為未來我國變頻器與PLC自動控制系統技術的發展貢獻一份力量。
參考文獻：
[1]宋飛.PLC自動控制技術在變頻器中的應用研究[J].機電信息，2013（15）.
[2]秦鵬.王超，PLC控制系統抗干擾分析及措施[J].科技創新導報，2011（17）.
