在電力系統微機綜合保護和自控裝置以及其它工業自動化控制領域，微控制器的應用越來越廣泛，其裝置的復雜性也越來越高。為了解決其開發對象實時多任務性的要求，單CPU、單入開發的模式下在被多個、多類型CPU和多人協同開發的模式所代替。在這新的開發模式中，面臨一個新問題——在實施信息交互的過程中如何將實現CPU之間信息交互的軟硬件標準化，這是關系到該模式能否成功實施的關鍵。在眾多的通信方式中，基于UART的RS-485串行通信模式以其連線簡捷、可靠性高和可帶動多CPU、多設備級連的能力而被廣泛采用。在軟件通信協議的選擇上，MODBUS協議由于其通用、成熟的第三方標準測試軟件，為用戶使用提供了諸多優勢。因此，在開發新型電動機綜合保護裝置TH21-4M的過程中，采用RS-485串行通信方式和MODBUS通信協議，實現了多CPU之間的數據和控制命令的信息交互。為了增強串行通信的高效、協調性，筆者在通信機制的軟硬件結構上采取了很多措施，并取得了很好的效果。在調試系統通信階段，使用了各CPU模塊先與MODBUS標準測試軟件通信，之后再互相聯調的方法，大大提高了協同開發的效率。實踐證明，該設計思想簡化了系統的結構，大大提高了裝置的運行效率和可靠性。本文將結合TH21-4M的設計思路，從硬件設計和軟件規劃兩方面，介紹如何利用MODBUS通信協議，實現多CPU結構的協同開發。

1 TH21-4M電動機綜合保護裝置的特點

TH21-4M電動機綜合保護裝置綜合保護功能以外，兼有測量、遠動和通信的功能；大屏幕的漢字液晶顯示，可以實現友好的人機界面；利用CAN總線，與監控主機進行通信，從而構成分級分散式的變電站綜合自動化系統的子系統。

在設計上，由于裝置需要實現多任務，為了優化系統功能，采用了多CPU的系統結構。其中一個CPU負責定時采樣脈沖發送；主CPU模塊負責數據處理、電量計算、故障判斷和開關操作；而板模塊上CPU負責人機交互，并實現與主保護模塊和監控主機的通信任務。各個CPU模塊有明確的任務分工，研制時也容易實現多人協同開發。在整個構成中，串行通信溝通了主CPU和面板CPU，使人機交互成為可能，因而點有重要的地位。建立合理的通信機制則是串行通信部分的核心的所在，它決定著通信的協調性和系統開發后期調試的效率。

2 通信機制介紹

2.1 通信機制硬件設計原理

本系統通信機制的提出以高效、可靠為目的。RS-485為半雙工結構，現場中比全雙工往往更接近于實用，在此采用只有2條信號線的最簡型連接。系統接口電路圖由圖1所示。主保護模塊上的80C196單片機輸出的TTL邏輯電平通過光電隔離后，由MAX485芯片轉換為RS-495電平，再由面板模塊上的MAX485芯片轉換為TTL邏輯電平，由80C31單片機讀取；以之亦然。在80C196單片機一側，使用并行輸入輸出口2（IO_PORT2）的一位P2.7對MAX輸入使能端RE、輸出使能端DE進行控制。由圖1可知，當P2.7輸出高電平時，RE使能，單片機一側接收數據；當P2.7輸出低電平時，DE使能，單片機一側發送數據。這樣，避免了盲目發送造成的數據疊加丟失現象，通信質量高，通信速度也能得到保證。

2.2 通信協議介紹

為了保證保護裝置中兩個模塊之間能夠正確地傳遞數據，必須有一套關于信息傳輸的模式、數據格式和內容等的規定，即規約[1]或通信協議。雖然保護裝置內部的通信相對簡單，兩具模塊之間傳遞的數據也不是很多，但是自定義內部通信協議的弊端是很明顯的。首先，自定義通信協議很難在時序、任務的協調上配合得很好，數據傳送的可靠性也難以保證；首次，由于沒有現成的較成熟的調試軟件，主CPU模塊基本是黑匣子，系統聯調時的困難較多且難以克服。因此，采用了當前流行的MODBUS通信協議，并結合本裝置的特點加以簡化，從而實現了模塊間的通信，事實證明效果很好。

MODBUS的通信方式為主從方式[2]。主方首先向從方發送通信請求指令，從方根據請求指令中的功能碼向主方發回數據。每個從方都有自己獨立的地址。主方所發的請求幀和從方所發的應答幀都是以從方地址開頭的。從方只讀發給自己的指令，對以其他從方地址開頭的報文不作應答。這種一問一答的通信模式，大大提高了通信的正確率。但對于微機保護來說，該主從方式也存在著弊端，即當保護主模塊進行保護動作后，無法立刻向上位機傳送故障信息，只能由上位機不斷向保護主模塊詢問保護是否動作，若有，則再進一步要求具體故障信息。

MODBUS有RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII兩種傳送方式。為了保證較高的通信速度，采用了RTU方式，數據字節無奇偶校驗位，加上起始、終止位后字節長度為10bit，數據間隔在24bit以內，采用循環冗余檢驗方式對報文進行校驗。

MODBUS典型的報文格式如下：

一個通信報文的具體內容取決于該指令字符串的功能碼，MODBUS中定義的標準功能碼如表1所示。