支持多串口同時抄表的智能儀表程序設計＊

同曉榮

（渭南師范學院數(shù)學與信息科學學院，渭南714000）

引 言

隨著計算機技術、通信技術、電子技術的發(fā)展，推動了儀表行業(yè)快速發(fā)展；同時，隨著人力成本的增加，人工抄表將會逐漸被淘汰；智能儀表將成為儀表行業(yè)發(fā)展的方向［1-3］?？梢灶A見，在未來20年儀表行業(yè)將經(jīng)歷一次革命，我國將由目前的人工抄表方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫h程抄表，各級水、氣和電力管理部門可以根據(jù)不同的權限對同一塊儀表進行遠程抄讀。為了支持多用戶同時抄表，本文設計了一種支持多串口同時抄讀的智能儀表程序，對程序設計流程做了詳細的闡述［4-5］。

1 支持多串口智能儀表軟件構架

支持多串口智能儀表軟件構架如圖1所示，支持多串口智能儀表的軟件構架分為4層：驅(qū)動層、基于任務調(diào)度的操作系統(tǒng)、通信協(xié)議層和應用層。驅(qū)動層主要提供智能儀表的各種硬件驅(qū)動。其中，串口驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括：串口的配置、提供通信協(xié)議在串口發(fā)送列表和串口接收列表中注冊的接口函數(shù)、為通信協(xié)議層提供數(shù)據(jù)服務?；谌蝿照{(diào)度的操作系統(tǒng)的設計可以提高程序的通用性和擴展性；通信協(xié)議層和應用層根據(jù)需要在操作系統(tǒng)中注冊任務，如果以后需要增加一個功能，則可以直接增加一個任務而不需要對以前的代碼進行改動［6-9］。

通信協(xié)議層主要對從物理層接收的數(shù)據(jù)幀和命令幀，按照通信協(xié)議的幀格式進行解析和對從應用層接收到的數(shù)據(jù)和命令按照通信協(xié)議的幀格式進行組幀。應用層主要實現(xiàn)智能電表和抄表客戶端應用對象之間的通信［10］。支持多協(xié)議的智能儀表軟件構架如圖1所示。

圖1 支持多協(xié)議的智能儀表軟件構架

2 驅(qū)動層串口程序設計

通信協(xié)議層系統(tǒng)初始化時，通信協(xié)議需要在每個串口的發(fā)送列表和接收列表中注冊。其中，串口發(fā)送協(xié)議列表和串口接收協(xié)議列表如下所示：

其中UartTxNode的結構體如下所示：

3 協(xié)議層和應用層程序設計

在通信協(xié)議層定義一個類型為PROTOCOL 的數(shù)組ProtocolPortList，ProtocolPortList數(shù)組的主要作用是：存放對應串口接收的數(shù)據(jù)和要發(fā)送的數(shù)據(jù)、表征該串口目前的狀態(tài)。代碼如下：

RxBuff是用來存放從串口接收的數(shù)據(jù)，TxBuff為要發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果接收到一幀合法數(shù)據(jù)將ReceiveSuccess-Flag置0xFF，該標志的作用是為操作系統(tǒng)提供一個處理RxBuff中數(shù)據(jù)的標志，防止已經(jīng)接收的幀被后續(xù)幀覆蓋。RxLen為RxBuff接收字節(jié)的長度，TxLen為TxBuff要發(fā)送數(shù)據(jù)的長度。

3.1 接收回調(diào)函數(shù)程序設計

當串口接收到一個字節(jié)后調(diào)用接收回調(diào)函數(shù)，接收數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。首先判斷返回的channel是否為物理通道1、物理通道2或物理通道3。如果不是則將此數(shù)據(jù)拋棄，如果是則判斷ProtocolList［channel］.ReceiveSuccesFlag是否為0xFF。如果是，說明該串口已經(jīng)接收到一幀數(shù)據(jù)但還沒有被處理，不能接收數(shù)據(jù)。如果不是，則判斷接收字節(jié)是否符合通信協(xié)議的幀格式，如果不符合則將接收字節(jié)拋棄，如果符合將接收字節(jié)Data存入接收緩沖區(qū)ProtocolList［channel］.RxBuff中，并且將接收長度ProtocolList［channel］.RxLen加1，最后判斷是否一幀數(shù)據(jù)接收完畢，如果接收完成則將ProtocolList［channel］.ReceiveSuccesFlag置為0xFF。

圖2 接收回調(diào)函數(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2 消息格式

在應用層和通信協(xié)議層中都有一個消息列表，分別來收集協(xié)議棧發(fā)送給它的消息和應用層發(fā)送給通信協(xié)議層的消息。

Message MessageList［MAX＿MESSAGE＿NUM］；

其中Message的結構如下所示：

通道號為協(xié)議棧接收數(shù)據(jù)的串口號，STaskID 為源任務號（協(xié)議棧的任務號或應用層的任務號），DTaskID為目的任務ID（協(xié)議棧的任務號或應用層的任務號），MessageType代表什么類型的消息（讀數(shù)據(jù)請求、寫數(shù)據(jù)請求），Data為所要寫入數(shù)據(jù)的指針。

3.3 基于任務調(diào)度的操作系統(tǒng)對接收幀的處理

當基于任務調(diào)度的操作系統(tǒng)執(zhí)行通信協(xié)議層任務時會搜索ProtocolList 數(shù)組中哪個元素的ProtocolList［channel］.ReceiveSuccesFlag為0xFF，然后對其Protocol-List［channel］.RxBuff中的數(shù)據(jù)進行處理，處理過程是：

①首先按照通信協(xié)議層的幀格式對接收數(shù)據(jù)進行解析。

②解析出需要發(fā)往應用層的數(shù)據(jù)，按一定的消息格式（包含發(fā)送數(shù)據(jù)和通道號）組成一條消息，然后將其發(fā)送給應用層，應用層收到這個消息后將其存入AMessage-List應用層消息列表中。

當處理完成后將ProtocolList［channel］.RxLen置0，將ProtocolList［channel］.ReceiveSuccessFlag置0，以便于該channel串口通道可以接收下一幀數(shù)據(jù)。

基于任務調(diào)度的操作系統(tǒng)會按一定的調(diào)度時間來搜索ProtocolList中各個串口通道是否接收到一個完整的幀并進行處理，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議棧對多個串口接收到的數(shù)據(jù)幀進行及時處理，多串口同時進行通信。

基于任務調(diào)度的操作系統(tǒng)會按一定的調(diào)度時間來搜索AMessageList是否為空，如果不為空則對相應的消息進行處理，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)應用層對收到的多個消息進行及時處理，實現(xiàn)并行通信。

3.4 協(xié)議層對從應用層接收到的消息處理

智能儀表需要向客戶機返回抄讀數(shù)據(jù)時，首先智能儀表應用層將抄讀數(shù)據(jù)按照一定的消息格式組成一條消息，然后將該消息發(fā)送給通信協(xié)議層。通信協(xié)議層收到該消息后將其存入PMessageList協(xié)議層消息列表中。

基于任務調(diào)度的操作系統(tǒng)會按一定的調(diào)度時間來搜索PMessageList是否為空，如果不為空則對相應的消息進行處理。

通信協(xié)議層對消息的處理過程如下：

①通信協(xié)議層將消息進行解析，解析出發(fā)送的Data和發(fā)送通道channel。

②將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議的幀格式進行組幀，并存儲于ProtocolList［channel］.TxBuff中。ProtocolList［channel］.TxLen為需要發(fā)送的長度。

③調(diào)用串口發(fā)送函數(shù)，將該幀數(shù)據(jù)通過串口channel發(fā)送出去。

3.5 發(fā)送回調(diào)函數(shù)程序設計

當channel的串口將協(xié)議層數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去后會調(diào)用發(fā)送回調(diào)函數(shù)將ProtocolList［channel］.TxLen置為0。

結 語

本文根據(jù)智能儀表的發(fā)展方向和多用戶同時抄表的需求，闡述了設計支持多串口同時抄表的智能儀表程序的必要性。給出了支持多串口同時抄表的智能儀表軟件構架、驅(qū)動層程序設計、通信協(xié)議層程序設計和應用層程序設計。它可以使多個抄表部門根據(jù)各自的權限同時對同一塊儀表進行抄讀和設置。該設計可以廣泛地應用于智能儀表行業(yè)，從而推動我國儀表行業(yè)的發(fā)展和國際化。

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