雷　亮（天津水利電力機(jī)電研究所，天津 301900）

低壓機(jī)組控制模塊軟件開發(fā)環(huán)境研究

雷亮
（天津水利電力機(jī)電研究所，天津 301900）

摘要：本文介紹水輪機(jī)低壓機(jī)組控制裝置結(jié)構(gòu)，且在Linux環(huán)境下搭建一個(gè)為低壓機(jī)組控制裝置搭載的軟模塊的開發(fā)環(huán)境，并測(cè)試串口數(shù)據(jù)傳輸實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：串口；Linux；Java；控制裝置

1　引言

智能技術(shù)已經(jīng)開始影響世界經(jīng)濟(jì)，工業(yè)領(lǐng)域的智能化業(yè)已突顯，水電站的自動(dòng)化控制集成程度越來越高，發(fā)電機(jī)組的集中控制越來越趨于專有化、智能化，能夠集成信息采集、控制、同期、保護(hù)功能于一體的發(fā)電機(jī)控制模塊將會(huì)在未來發(fā)電機(jī)控制領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用。智能模塊作為控制主體需要完成各種復(fù)雜的功能，對(duì)信息交換的要求也就比較高，各功能模塊所需數(shù)據(jù)的獲取及共享需要一個(gè)可靠的平臺(tái)，選擇一個(gè)可靠的信息平臺(tái)并建立一套完善的信息機(jī)制是非常必要的。

2　系統(tǒng)平臺(tái)介紹

建立整個(gè)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)需要選擇一個(gè)良好的載體平臺(tái)才能夠保證程序良好地運(yùn)行，選擇好數(shù)據(jù)載體和通訊端口可使模塊適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

2.1系統(tǒng)平臺(tái)—Linux

低壓機(jī)組控制模塊的系統(tǒng)平臺(tái)選擇Linux，Linux在家用電腦系統(tǒng)中并沒有占有較大份額，但在工業(yè)領(lǐng)域中卻有著很高的地位，它在可靠性、可伸縮性、運(yùn)行速度等方面很突出。

首先，Linux是開源的，任何人都可以看它的源代碼，這就使得它特別安全，這種安全的特性對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的安全要求來說是至關(guān)重要的，而Windows卻不能做到這一點(diǎn)，因?yàn)閃indows不可能開源，只能不斷地打補(bǔ)丁來修補(bǔ)新發(fā)現(xiàn)地漏洞，致使系統(tǒng)越來越臃腫。

其次，Linux有著一個(gè)很高效地內(nèi)核，Linux平臺(tái)對(duì)硬件要求較低，而且，可以免費(fèi)獲得許多程序和驅(qū)動(dòng)。Linux對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存有著絕對(duì)的支配權(quán)，并不像Windows那樣依賴虛擬內(nèi)存，可以在相對(duì)低配置地平臺(tái)上完成相對(duì)于Windows更多地工作。Windows使用“頁面文件”，它的作用是擴(kuò)展內(nèi)存，就是說用硬盤虛擬內(nèi)存的方式來為應(yīng)用程序提供比內(nèi)存大的多的運(yùn)行空間。但這個(gè)方式有一個(gè)缺點(diǎn)，就是硬盤比內(nèi)存響應(yīng)速度慢。所以，如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)有較少內(nèi)存時(shí)，虛擬內(nèi)存（就是某一些硬盤空間）就會(huì)被頻繁使用，結(jié)果就使得計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度非常慢。盡管用戶也可以將“頁面文件”調(diào)小以希望能降低虛擬內(nèi)存的份額，但Windows本身卻不會(huì)響應(yīng)用戶要求，虛擬內(nèi)存（即頁面文件）還是在被使用著。這就是使用Windows的困境之一：用戶無法真正掌控系統(tǒng)。而對(duì)于Linux，用戶可以設(shè)置完全不用虛擬內(nèi)存，也可以設(shè)置成先使用內(nèi)存，不夠時(shí)再使用虛擬內(nèi)存。當(dāng)然也可以設(shè)置成盡量使用虛擬內(nèi)存，留出系統(tǒng)的內(nèi)存作為它用，用戶有決定的權(quán)力。

綜上所述，低壓機(jī)組控制模塊軟件系統(tǒng)選用Linux作為系統(tǒng)平臺(tái)，可以降低低壓機(jī)組控制模塊運(yùn)行要求、提高可靠性。

2.2數(shù)據(jù)載體

低壓機(jī)組控制模塊信息交換平臺(tái)必須可靠高效，它應(yīng)該將各種不同類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，并建立一個(gè)系統(tǒng)各功能模塊都能識(shí)別的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，讓有權(quán)限的模塊索取所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)載體的目的是把信息讀取出來，并共享到每個(gè)需要數(shù)據(jù)的模塊，我們選擇拓展標(biāo)記語言xml來實(shí)現(xiàn)低壓機(jī)組控制模塊數(shù)據(jù)的共享，此標(biāo)記語言不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，其用處還有很多：如HTML、留言板、J2EE的WEB配置信息、word和excel、hibernate的＊.cfg.xml映射關(guān)系存儲(chǔ)等。智能模塊能讀懂這種標(biāo)記，模塊或者模塊之間的信息傳遞可以依靠這種標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)，這種不需要體系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、更新和讀取能夠更快更有效地將場(chǎng)數(shù)據(jù)共享。

2.3通訊方式

低壓機(jī)組控制裝置的信息交換支持現(xiàn)階段流行的方式：RJ45、DB9、USB、can-open接口，其中，USB接口主要設(shè)計(jì)功能為系統(tǒng)升級(jí)或者補(bǔ)充程序編寫端口，RJ45用于支持以太網(wǎng)，DB9用于支持采用RS232及RS485兩種通訊方式的硬件；can-open用于支持can總線。本文將介紹為模塊編寫RS485 RTU規(guī)約過程中的平臺(tái)及環(huán)境設(shè)置。

3　開發(fā)環(huán)境配置

開發(fā)系統(tǒng)選擇在SUSELinuxEnterpriseserver 11環(huán)境下。測(cè)試硬件的串口采用MOXA的UPORT 1150USB轉(zhuǎn)串口產(chǎn)品，串口在現(xiàn)在的工業(yè)通訊領(lǐng)域還被經(jīng)常應(yīng)用。開發(fā)選用的java版本為1.7.0_51，需要下載的支持串口開發(fā)的開發(fā)包為：RXTX－2.1-7-bins－R2。

為在Linux平臺(tái)上開發(fā)串口驅(qū)動(dòng)，選擇支持Linux平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境——WildFly，即Jboss，它是一個(gè)免費(fèi)的、開放源碼J2EE的實(shí)現(xiàn)，安裝方便，需要內(nèi)存和硬盤空間較小。

3.1安裝/更新所需java到Linux

安裝新版本的java（本次為1.7.0_51，安裝在/usr/java下），安裝完成后根據(jù)安裝路徑設(shè)置環(huán)境變量，以下設(shè)置建議寫在bash_profile里以保證每次登錄都可以更新內(nèi)存環(huán)境變量，PATH變量用于標(biāo)識(shí)安裝java開發(fā)工具包（JavaDevelopmentKit，JDK）的位置，而CLASSPATH變量設(shè)置為存儲(chǔ).class文件的目錄：

（1）設(shè)置java_home：exportJAVA_HOME=/usr/java/jdk1.7.0_51

（2）設(shè)置java路徑：exportPATH＝$JAVA_HOME/bin: $PATH

（3）設(shè)置java庫路徑：exportCLASSPATH＝.:$JAVA_HOME/lib/dt.jar:$JAVA_HOME/lib/tools.jar

值得注意的是：必須在PATH變量插入分號(hào)和句號(hào)，分號(hào)是PATH目錄中入口之間的分隔符，而插入句號(hào)說明是當(dāng)前目錄（符號(hào)應(yīng)是英文狀態(tài)下輸入）。

安裝完成后系統(tǒng)默認(rèn)的java依然是系統(tǒng)最初安裝的java1.6，未重啟計(jì)算機(jī)前（或未重新登錄前）想要最新安裝的java1.7發(fā)揮作用，需要在系統(tǒng)配置內(nèi)設(shè)定一些參數(shù)。

在登錄系統(tǒng)后，鍵入：java－version來查看現(xiàn)行java的版本，可以用whichjava來確定現(xiàn)行java的安裝路徑。鍵入whichjava后得知現(xiàn)行的java安裝目錄為：/usr/bin/java，而現(xiàn)在需要運(yùn)行的java安裝在/usr/java下，且文件夾名字為jdk1.7.0_51,想要立即使用新版java而不重新登錄的話，可以在這里做個(gè)鏈接，系統(tǒng)能找到新安裝的java。

要建立鏈接，首先要進(jìn)入現(xiàn)行安裝目錄，鍵入cd/usr/bin來到安裝目錄，鍵入mvjavajava.bakforstore將現(xiàn)在的java隱藏起來，做一個(gè)軟鏈接：ln-s /usr/java/jdk1.7.0_51/bin/javajava。此時(shí)再次輸入whichjava，系統(tǒng)回復(fù)：/usr/java/jdk1.7.0_51/bin/java，java，鏈接已經(jīng)成功，符合開發(fā)要求。

此時(shí)，只要指定運(yùn)行庫就能夠直接支持java的運(yùn)行了，因此，要添加CLASSPATH目錄的內(nèi)容。可以在上述的CLASSPATH后面添加，也可以在/etc/profile里添加以下段落來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)java的調(diào)用：:$JAVA_HOME/jre/lib。系統(tǒng)就可以找到必須的. so文件來支持java運(yùn)行了。

做完以上工作，必須使配置生效：在/etc/下執(zhí)行sourceprofile命令（或者在／目錄下執(zhí)行source bash_profile)，執(zhí)行之后鍵入java-version，系統(tǒng)回復(fù)：javaversion1.7.0_51，此時(shí)配置java完成。

3.2測(cè)試配置串口參數(shù)

將MOXAUPORT1150接入系統(tǒng)，即將其USB口插入服務(wù)器的USB口，然后在MOXA官網(wǎng)下載此硬件對(duì)Linux的驅(qū)動(dòng)，下載驅(qū)動(dòng)版本為：Linux3.x，下載并解壓縮，解壓縮后可以看到多個(gè)文件，其中包含有makefile和mxinstall兩個(gè)文件，在此目錄下執(zhí)行. /mxinstall來安裝UPORT驅(qū)動(dòng)到系統(tǒng)，安裝過程中需要確認(rèn)安全性，按照提示說明更改設(shè)置即可。

安裝完成后，可以看到UPORT的ACTIVE燈亮，說明安裝成功。這時(shí)，可以用：dmesg|greptty來查看可用接口，系統(tǒng)回復(fù)為:

[0.000000]console[tty0]enabled

[0.475003]serial8250:ttyS0atI/O0x3f8(irq=4) isa16550A

[0.525630]serial8250:ttyS1atI/O0x2f8(irq=3) isa16550A

[0.626041]00:07:ttyS0atI/O0x3f8(irq=4)isa 16550A

[0.626203]00:08:ttyS1atI/O0x2f8(irq=3)isa 16550A

[2083684.682727]usb1-1.1:MOXAUPort1150 converternowattachedtottyUSB0

由于UPORT1150支持RS232和RS485兩種硬件平臺(tái)，所以，系統(tǒng)完成對(duì)USB端口的添加后，必須要設(shè)置串口屬性，設(shè)置串口有setserial-gdev/ttys [0|1|2|3]，4種方式分別為：

這里測(cè)試用兩線制RS485，所以設(shè)置串口為1模式工作，鍵入命令：setserial/dev/ttyUSB0port1,執(zhí)行完畢后，即可實(shí)現(xiàn)在串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。

3.3安裝RXTX

RXTX是系統(tǒng)對(duì)串口的驅(qū)動(dòng)必要的開源庫，安裝后，就可以直接利用事先定義好的串口函數(shù)來進(jìn)行通訊。此庫文件包包含有多個(gè)文件，其中x86_64-unknown-linux-gun里面存放的就是為SUSE系統(tǒng)準(zhǔn)備的庫文件，將放在其中的librxtxSrial. so文件拷貝到/usr/java/jdk1.7.0_51/jre/lib/i386下，將RXTXcomm.jar復(fù)制到/usr/java/jdk/jre/lib/ext下，就完成了RXTX開源庫的安裝。

4　協(xié)議開發(fā)及測(cè)試結(jié)果

接下來對(duì)串口進(jìn)行協(xié)議開發(fā)，本次用的是ModbusRTU協(xié)議。

（1）定義Modbus的主體功能；

（2）建立數(shù)據(jù)的發(fā)送格式，根據(jù)協(xié)議要求需要將格式轉(zhuǎn)換成要求的標(biāo)準(zhǔn)格式；

（3）建立RTU的傳輸函數(shù)；

（4）設(shè)置端口并建立連所需連接。

部分代碼及注釋

packageModbusInstance;

publicclassModbus{

/**

*定義功能碼和接口函數(shù)

*/

publicstaticfinalintdebug=0;

/**

*讀保持寄存器功能碼。

*/

publicstaticfinalbyteREAD_MULTIPLE_REGISTERS=(byte)0x03;

/**

*讀輸入寄存器功能碼。*/

publicstaticfinalbyteREAD_INPUT_REGISTERS=(byte)0x04;

/**

*寫保持寄存器功能碼。

*/

publicstaticfinalbyteWRITE_MULTIPLE_REGISTERS=(byte)0x10;

/**

*寫線圈狀態(tài)功能碼。

*/

……

5　可執(zhí)行文件

建立好讀取機(jī)制后編譯運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行結(jié)果為：

Sent:01030010000445CC

Received:010308000000000000000095

數(shù)據(jù)1:0;數(shù)據(jù)2:0;數(shù)據(jù)3:0;數(shù)據(jù)4:0;

實(shí)際觀測(cè)UPORT數(shù)據(jù)發(fā)送燈閃爍正常，且監(jiān)視到數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，協(xié)議符合ModbusRTU，數(shù)據(jù)可通過串口傳輸，接下來就是編譯和在實(shí)際環(huán)境下運(yùn)行。將程序測(cè)試用端口在程序中換成實(shí)際設(shè)備使用端口，將設(shè)備（主站）通過RS485連接到測(cè)試從站，重新編譯且生成可在實(shí)際設(shè)備上運(yùn)行的可執(zhí)行文件。必須保證實(shí)際環(huán)境Java版本和測(cè)試版本一致。

建立java可執(zhí)行文件，在工程上右鍵點(diǎn)擊export，在彈出的對(duì)話框中選擇java－>RunableJAR file－>下一步－>Launch configuration選擇已測(cè)試好的程序且在exportdestination中選擇要保存，并勾選libraryhandling中的 Copyrequiredlibraryintoa sub-foldernexttothegeneratedJAR。點(diǎn)擊Finish完成，將生成的文件和library文件夾拷貝到實(shí)際運(yùn)行低壓機(jī)組控制模塊上，在終端登錄低壓機(jī)組控制模塊的Linux平臺(tái)用戶，采用ssh連接，連接到同一網(wǎng)絡(luò)后用sshroot@X.X.X.X來實(shí)現(xiàn)登錄。

登錄后在登錄環(huán)境下輸入：java－jar/etc/MBInquire.jar,測(cè)試返回為：

Sent:01030010000445CC

Received:010308000000000000000095

數(shù)據(jù)1:0;數(shù)據(jù)2:0;數(shù)據(jù)3:0;數(shù)據(jù)4:0;。

實(shí)際運(yùn)行與測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)相同，設(shè)備實(shí)際數(shù)據(jù)可以被正確地讀取到一體化設(shè)備，且連續(xù)測(cè)試72h以上數(shù)據(jù)均可正常讀取存儲(chǔ)。

6　結(jié)論

在Linux環(huán)境下搭建一個(gè)為水輪機(jī)低壓機(jī)組控制裝置搭載的軟模塊的軟件開發(fā)環(huán)境是可行的，其串口數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]【美】杰里米．里夫金．第三次工業(yè)革命[M]．北京：中信出版社，2012：277．

[2]【美】AlapatiSamR．?dāng)?shù)據(jù)庫管理藝術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社，2010：7．

[3]王定一，等．水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)視與控制[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2001：233．

[4]【美】PallaviJain，ShadabSIddiqui．J2EE專業(yè)項(xiàng)目實(shí)例開發(fā)（修訂版）[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：3．

[5]【美】EviNemeth，GarthSnyder，TrentRHein，etal．UNIXand Linux System Administration Handbook[M].4thed.NewJersey：PrenticeHall.

中圖分類號(hào)：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）03-0038-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.011

收稿日期：2014-11-17

基金項(xiàng)目：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（TJ0145B262014）。

作者簡(jiǎn)介：雷亮（1985-），男，助理工程師，從事水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、設(shè)備開發(fā)、技術(shù)服務(wù)及質(zhì)量管理工作。