高压母线温度在线检测系统设计 毕业论文

高压母线温度在线检测系统设计

High temperature online detection

system bus design

摘要

当今社会电力系统己经成为国民经济的命脉和基础，电力系统的安全运行也成为关系国计民生的重要问题。特别是高压输电设备经常因为线路自身设计问题或者使用过程中的损耗、老化等现象导致安全事故时有发生。但是由于传统监测手段的种种限制无法做到实时监测，很难对系统的安全运行给予好的保障。在工业领域，温度、压力、流量是最常见的三大被监测的物理参数，其中最广泛的还是温度量的测量，随着电子技术、计算机技术的飞速发展，对现场温度的测量也由过去的刻度温度计、指针温度计向数字显示的智能温度计发展，而且，对测量的精度要求也越来越高，目前，尽管市场上也由高精度的温度测量仪，无论是国内还是国外生产的，一般价格都很昂贵。

由于开关柜中的母线处于高压电位，每相对地和不同相之间都存在很高的电压，所以直接检测母线温度一直是电力系统检测中的一个难题。针对上述情况，本文提出一种以AT89C51低功耗单片机为控制核心，以PTR4000为无线数据传输部件，采用一线式数字温度传感器DS18B20为温度采集装置的高压母线温度测量方案，并从硬件和软件两方面描述了系统的设计及实现方法。

关键词：高压母线，温度测量，无线传输，gsm短信息

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Abstract

Current world, power system has been the essential and crucialbasement for country's economy. The high-voltage device often failed caused of some problem,such as run circumstance, workload and agings. However tranditional systeminspection method can not monitor the real time condition of the device. In the field of industry, the temperature, pressure, flow are threemost common physical parameters monitored, among them the mostextensive one is still the measurement of the temperature .With thedevelopment at full speed of electronic technology and computertechnology, the measuring of spot temperature tends to use intelligentthermometer of the digital display instead of the past scalethermometer and indicator thermometer，and the requirement to theprecision of measurement is higher and higher. At present, althoughthere are high-precision temperature measuring apparatus on themarket, no matter it is domestic or produced abroad, the price isgenerally high.

Because the buses inside HV switchgear cabinet are under high voltage condition, the very high voltage between the contacts of high-voltage switch or between high-voltage buses makes the direct measurement of its temperature a very difficult problem which has not been solved in practice so far. For these reasons, a method to measure the temperature of the bus-bar for switchgear cabinet on-line monitoring system is presented based on AT89C51 to realize control, using the wireless modem of PTR4000 to realize the wireless communication and adopting single wire digital thermometer DS18B20 to measure temperature of the buses. Hardware and software of the system are described in this paper.

Key words: Bus-bar in High-V oltage；Temperature measurement；Wireless Transmission；GSM short messages；

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目录

摘要.................................................................................................I Abstract............................................................................................II 第1章引言. (1)

第2章系统组成及其工作原理 (4)

2.1系统总体设计 (4)

2.1.1系统组成 (4)

2.1.2系统工作原理 (4)

2.2母线无线测温装置组成及工作原理 (5)

2.2.1母线无线测温装置组成 (5)

2.2.2测温装置工作原理 (5)

第3章母线测温系统的硬件设计 (7)

3.1母线无线测温装置 (7)

3.1.1传感器DS18B20 (7)

3.1.2 PTR4000收发模块 (11)

3.1.3单片机部分 (13)

3.2测温装置电源的设计 (15)

3.3 RS485总线介绍 (16)

第4章无线通信协议及原理 (20)

4.1无线通信协议的简介 (20)

4.2 PTR4000无线通信协议原理及设计 (22)

第5章系统软件设计 (24)

5.1总体设计 (24)

5.2数据无线传输模块的软件设计 (24)

5.3上位机人机交互界面的软件设计 (25)

结论 (38)

参考文献 (39)

致谢 (40)

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第1章引言

电力系统安全稳定运行是电力系统控制的根本目标和进行电力市场交易的重要保障，随着现代电力系统向着高电压，大机组，大容量的迅速发展，对电力系统供电可靠性的要求越来越高。影响电力系统安全运行的因素有很多，其中一个重要方面是电气设备自身的安全运行问题。由于绝大多数的电气设备采用封闭式结构，散热效果差，热积累大，并长期处于高电压，大电流和满负荷的条件下运行，其结果导致热量集结加剧，危及电气设备的安全运行，同样，发电厂，变电站也存在对发电机，变压器和母线等温升的监测问题。特别是当电力系统发生短路故障时，强大的电流使电气设备内部温升加剧，电气绝缘遭到严重破坏，并使电气设备寿命缩短，甚至造成电气设备被烧毁的严重事故。据统计，电力系统发生事故原因中有相当一部分与过热问题有关，因此电气设备温度实时监测问题已经成为电力系统中电气设备安全运行所急需解决的实际问题，是提高电气设备可靠性的迫切需要，对保障电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义。

发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电器设备。在设备长期运行过程中，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位因老化或接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化, 甚至击穿而造成事故。因此, 必须采取有效措施监控母线温度。通过监测母线接点、高压电缆接头温度的运行情况，可有效防止开关柜母线故障发生，但由于开关柜内高压狭小的结构，无法进行人工巡查测温，因此实现母线接点、高压电缆接头温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段。

目前，温度测量方法一般分为两类：（1）接触式测量方式，如热电偶、热敏电阻、各种温度传感器，仪器比较简单，但因母线处于高电位，仪器的安装、读数、记录及供电方式比较难解决。（2）非接触式的遥测方法，如红外辐射，但其准确度不高，设备也比较昂贵，而且使用不便，尤其在高压开关柜场合使用比较困难。

国内外研究现状分析：高压电器的允许温升及相应的测试方法,在国家标准

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中已有规定,但测试方法不适合于在线监测。常用方法有使用X光照片和γ射线照片来观察壳体内的各部件工作状况,或用红外热像仪的直接监测方法;也有利用分析SF6分解产物的成份间接判断局部过热或触头的接触状况,或测试导电过程中电磁力、磁致伸缩力所引起金属壳体的振动来进行间接推测的,然而这些方法在检测灵敏度正确性和响应速度上不能令人满意,在价格和现场使用上也难以接受,因此,国内外开发了一些新的检测装置。

由于高压电气设备一般都处于高电压，大电流和强磁场的环境中，在实际监控中，必须要求监控对象与监测仪器之间进行电压隔离，其测试信号进行有效传输也是一直比较难以解决的问题，因此一些常规的测温方法很难适合在高压电气设备中得到应用，目前，母线温度检测主要有以下两种方案：（1）采用色片，其颜色随温度的不同而变化，根据其颜色即可判断温度，缺点是准确度低，可靠性差，不能进行定量测量，而且对高压母线触点等来说，在运行时几乎看不见颜色；（2）采用热红外检测技术，优点是测量范围大，准确度高，缺点是设备昂贵，无法检测封闭在机柜内的高压母线，而且无法实现高压设备和温度在线检测的一体化集成。因此，有必要设计一种适合母线温度在线检测的测量系统。

本文主要对高压母线温度的在线监测进行研究，母线是电气主接线的中间环节，起着汇集和分配电能的作用，在电力系统中起着非常重要的作用，电力装置中的高压载流母线常常因接触部位氧化，接触松动，负荷过大，相间短路，散热环境差等原因而使温度升高，如不及时发现处理，有时会酿成安全事故，从长期安全运行要求考虑，高压母线温度应限制在一定范围之内。因此采用一种适合的温度监测方法，对电力装置中的高压载流母线的温度进行在线实时监测是十分必要的。因此本文对于保障电气设备安全运行具有十分重要的实际工程意义，为高压母线实现智能测温提供了一条有效途径。

目前，温度测量的方法比较多，但适用于测量高电压，大电流，强磁场环境下的载流母线的温度的方法比较少。针对上述情况，本文采用一种比较理想的测温系统方案：即母线及电接触温度测量装置采取温度就地测量，数据遥送地面，由微控制器（MCU）进行处理的方法。温度测量部分安装在母线上，而温度报警装置及温度显示模块安装在地面接收部分，当母线温升超过允许值时，系统发出报警信号，及时提醒相关人员采取措施，避免事故的发生。

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第2章系统组成及其工作原理

2.1系统总体设计

2.1.1系统组成

本系统主要由母线无线测温装置，PC上位机控制中心和GSM 短信模块组成。采用基于RS-485总线的主从分布式结构，以母线无线测温装置接收模块中的单片机AT89C51为核心的从机，既可以独立地完成数据处理和控制任务，又可以将数据传给上位PC机。PC机将这些数据进行处理、显示、打印，同时将各种控制命令传给各个从机，以实现集中管理和最优控制。系统总体结构框图如图2-1所示：

图2-1 系统整体结构组成框图

2.1.2 系统工作原理

本系统把温度传感器直接安装在发热点上，利用直接接触方式来采集母线温度，然后通过无线方式将数据发送到安装在开关柜门上的接收装置中。该接

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收装置可以同时接收多个温度传感器的数据，并且整理保存后轮换显示。温度数据还可以发送到后台监视计算机上，由后台软件进行数据处理和保存，可以在模拟接线图上直接显示出温度值，也可以用温度曲线的方式显示以便分析。当温度超过预先设定的上限值后就进行声音报警和屏幕提示处理，提醒值班人员进行紧急处理。

2.2 母线无线测温装置组成及工作原理

2.2.1母线无线测温装置组成

该装置主要包括温度数据采集处理部分，无线数据传输部分，MUC控制及显

图2-2 母线无线测温装置框图

2.2.2测温装置工作原理

首先，接收端起综合控制作用的单片机AT89C51通过PTR4000无线传输模块的发射端将控制指令传输给数据采集及发射单元，在发射单元，单片机P89LPC925按照接收到的指令控制温度传感器对三相母线温度数据进行采集，传感器将需要显示的各相温度值按照指令要求通过串行通信接口传输到单片机P89LPC925中进行处理和储存，之后单片机将数据传输给发射单元的PTR4000无线传输模块的发射端，信号经其调制后发送到接收单元的接收端，数据经解调

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后传输给接收端的单片机AT89C51，之后单片机AT89C51对接收的数据进行处理并显示温度值，当温度异常时，发出报警信号。单片机AT89C51不断的发送控制指令给数据采集单元采集温度值，同时采集的温度数据不断的传输到接收端。

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第3章母线测温系统的硬件设计

3.1 母线无线测温装置

本装置硬件电路主要由母线温度数据采集电路，无线发送与接收电路，MCU 控制电路及其外围显示，报警电路等组成。本装置是母线测温系统的核心部分，测温传感器采用美国DALLAS公司生产的新型单总线数字温度传感器DS18B20，数据无线传输模块采用PTR4000无线收发模块，温度采集及数据发射部分的微控制器采用飞利浦公司生产的低功耗高性能的P89LPC932单片机，数据接收部分采用AT89C51单片机才实现控制。

3.1.1传感器DS18B20

DS18B20是美国DALLAS公司生产的新型单总线数字温度传感器，使用了在板（onboard）专利技术，将地址线、数据线和控制线合为一根双向串行传输的信号线，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。其测温范围为-55℃～ +125℃,分辨率为0.5℃，测量的温度值用9～12位数字表示，最大转换时间为750ms，温度超标的上，下限值，DS18B20的转换分辨率均可由用户设定，并能长期保存。每个DS18B20芯片的ROM中存放唯一的64位ID号：前8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码.因此,单片机可以同时控制多个DS18B20采集数据,而不会出现混乱现象，完全满足母线多点温度测量的需要。

自美国DALLAS公司生产单总线、数字式温度传感器系列(如DS1620、DS1820、DS18B20)以来,相继被广泛应用于计算机与自动化测控领域。改变了传统温度测试方法，能在现场采集温度数据。并直接将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到计算机进行数据处理，测试温度范围为-55℃——+125℃。可应用于各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统，使用方便灵活，测试精度高，优于任何传统的温度数字化、自动化测控设备。应用DS18B20先后为用户设计了定时控温发酵器、自动控温加热器等产品。现以自动控温加热器为例主要说

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明DS18B20的特点、工作原理及DS18B20的C51程序。

为了使DS1820能完成准确的温度变换，当温度变换发生时，I/0线上必须提供足够的功率。因为DS1820的工作电流高达1mA, 5K的上拉电阻将使I/0线没有足够的驱动能力。如果几个SD1820在同一条I/0线上而且企图同时变换，那么这一问题将变得特别尖锐。

有两种方法确保DS1820在其有效变换期内得到足够的电源电流。第一种方法是发生温度变换时，在I/0线上提供一强的上拉。如图3-1所示，通过使用一个MOSFET把I/0线直接拉到电源可达到这一点。当使用寄生电源方式时V DD 引脚必须连接到地。

图3-1强上拉在温度变换期内向DS1820供电

向DS1820供电的另外一种方法是通过使用连接到V DD引脚的外部电源，这种方法的优点是在I/0线上不要求强的上拉。总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在甲一线上传送。此外，在甲一线总线上可以放置任何数日的DS1820，而且如果它们都使用外部电源，那么通过发出跳过(Skip ) ROM命令和接着发出变换(Convent) T命令，可以同时完成温度变换。注意只要外部电源处十工作状态，GND(地)引脚不可悬空。

在总线上主机不知道总线上DS1820是寄生电源供电还是外部V DD供电的情况卜，在DS1820内采取了措施来通知采用的供电方案。总线上主机通过发出跳过(Skip ) ROM的操作约定，然后发出读电源命令，可以决定是否有需要强上拉

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的DS1820在总线上。在此命令发出后，主机接着发出读时间片。如果是寄生供电，DS1820将在甲一线总线上送回“0”如果由V DD引脚供电，它将送回“1”。如果主机接收到一个“0”它知道它必须在温度变换期间在I/0线上供一个强的上拉。

数字温度传感器DS18B20的测温范围为-55℃——+125℃，精度为0.5℃，测量的温度值用9——12位数字表示，最大转换时间为750ms，温度超标报警的上、下限值，DS18B20的转换分辨率均可由用户设定，并能长期保存。利用Dallas 的单总线控制协议，和单线控制信号在总线上来实现数据的读写。DS18B20的另一特点是在没有外部电源下操作的能力，电源山总线为高电平时DQ脚上的上拉电阻提供(寄生供电模式)，此时V DD脚接地。也可用传统方式供电，即将外部电源接在V DD脚上即可。

DS18B20测温原理如图3-2所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用来向计数器1提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温度影响较大，随温度的变化而明显改变，其产生的信号作为计数器2的脉冲输入，用于控制闸门的关闭时间。初态时，计数器1和温度寄存器被预置在与-55℃相对应的一个基值上。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，在计数器2控制的闸门时间到达之前，如果计数器1的预置值减到0，则温度寄存器的值将作加1运算，与此同时，用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值，作为计数器1的新预置值，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环，直到计数器2控制的闸门时间到达亦即计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。在默认的配置中，DS18B20的测温分辨率为0.0625℃，以12位有效数据表示，其中，高位的S表示符号位，如:0000 0001 1001 0001表示+25.0625℃。

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图3-2 测温原理

DS18B20通过计量其内部温度系数振荡器经历的时钟周期个数来测量温度。计数器基准值对应于-55℃的基数，如果计数器达到零，那么温度寄存器的值就对应着－55℃。

同时，计数器用针率累加器电路所决定的值进行设定。为了对遵循抛物线规律的振荡器温度特性进行补偿，这种电路是必需的。时钟再次使计数器计值至已达到零。

DS18B20与单片机P89LPC925组成的母线温度数据采集电路如图3-3所示：

图3-3 母线温度数据采集电路 斜率累加器

计数器1 =0 计数器2

=0

预置

预置 比 较

低温度系数晶振 高温度系数晶振 温度寄存器

图3-4 数字式温度传感器DS18B20实物图

3.1.2 PTR4000收发模块

无线发送与接收电路采用无线收发模块PTR4000来实现。PTR4000模块体积微小,且接收发射合一,工作频率为国际通用的数传频段2400MHz——2524MHz，采用GMSK调制/解调,工作电压为1.9～3.6V，功耗小，灵敏度高，工作最高速率可达1000kbit/s，无需设置模块通讯速率，抗干扰能力强，开阔地无干扰的情况下，有效传输距离达300米，编程开发工作容易，并且单片机可直接与其相连，特别适合工业控制场合。

PTR4000编程配置接口由CE、CS、PWR组成，控制PTR4000的四种工作模式：配置模式，发射/接收模式，待机模式，Power down掉电模式。配置数据由DATA, CLK1输入。

通道1接口CLK1, DATA, DR1为三线多功能接口：

（1）在配置模式下，单片机通过通道1的DATA、CLK1线配PTR4000的工作参数；

（2）在发射模式下，单片机通过通道1的DATA、CLK1发送数据；

（3）在接收模式下，当接收到与本机地址一致是，通过DR1输出中断指示(高有效)，单片机通过DATA,CLKl接收数据。

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PTR4000上电以后首先必须通过单片机对其进行配置：单片机首先将按照模式控制真值表将PTR4000设为配置模式；然后单片机通过通道1的DATA、CLK1将15bvte的配置数据送入PTR4000模块，完成配置。

配置字一共为120bit，在CLK1的上升沿开始最高位(MSB)移入PTR4000。在CS下降沿后，模块内部更新所有内部配置，即新的配置字在CS的下降沿后开始生效。上电后第一次配置时必须将120bit配置字全部移入：而后当仅需要做收发切换时，只需移入lbit即可完成收/发模式的切换。

单片机与PTR4000接口电路如图3-5所示：

图3-5 单片机与PTR4000接口电路

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在接口电路中，PTR4000配置接口CS、CE和通道1接口CLK1、DATA 用单片机的I/O来控制，DR1接单片机中断INT0，通道2接口CLK2、DOUT2、DR2 保留未使用。

3.1.3 单片机部分

P89LPC932单片机是PHILIPS公司新推出的一款单片封装的8位单片机,它是基于80C51内核的高速、低功耗的带片内8KBFlash的8位单片机，其指令执行时间只需2到4个时钟周期,6倍于标准80C51器件。P89LPC932内部主要集成了字节方式的I2C总线、SPI接口、UART通信接口、实时时钟、EEPROM、A/D 转换器、ISP/IAP在线编程和远程编程方式等一系列有特色的功能部件。该单片机在低电压(2.4.-3.6V)下工作，可以很好地在以电池供电的便携式系统中得到应用。其集成的许多系统级的功能，适合于许多要求高集成度、低成本的场合；可以大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本，可以满足多方面的性能要求。

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

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图3-6 AT89C51引脚图

3.2 测温装置电源的设计

由于高压开关柜内部是一个高温，高电压，强磁场的复杂环境，温度检测装置与测温点处于同一电位，检测部分电源不宜从外部供给，只能从内部产生。为此，本设计中采用在母线上安装电流互感器，利用铁芯片饱和原理，选择适当铁芯截面，小电流时铁芯正常励磁，大电流时铁芯饱和，从而提供了变化幅度较小的电源，从中取出的电流经整流，滤波和稳压后提供给高压测的数据采集发射模块的供电方式。而接收部分电源可利用上位机来给其供电。

图示3-7为电源处理电路，输入整流滤波电路将交流电源进行整流滤波，为稳压电路提供波纹较小的直流电压。整流单元采用二极管桥式全波整流电路，

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整流桥由4个分立的耐压值为6V的二级管组成，将输入的交流电转变为脉冲直流电。在整流桥的输入端分别并联了一对C104瓷片电容，滤掉输入电压中的杂波。LM7815输入滤波部分主要采用470μF电解电容完成，并在LM7815的输入端对地连接一个C104的瓷片电容。该输出电压经过一个1000μF的电解电容滤波后到达LM7805的输入端。LM7805输出+5V电压，为数据采集发射模块供电。

图3-7电源处理电路

3.3 RS485总线介绍

在多机通信领域，由于单片机具有灵活高效的多机通信功能和价格优势，应用越来越广泛，但由于单片机的收发信号都是TTL电平，驱动能力和抗干扰性有限，实用中常配合其它总线实现互联，RS485总线就是其中之一。RS485总线是平衡差分传输，抗干扰性好，最远可传输4000m，可互联多达128个单片机，非常适合组成多机通信系统。随着传输距离的增加和传送速率的提高，各种反射、干扰、衰减和共地噪声等影响将引起测试信号的崎变，从而限制了远程测试系统的发展。RS232总线，其驱动器输出信号摆幅比TTL电平大，使抗干扰能力提高，但RS232标准规定驱动器允许有2500pF的电容负载。远程测试控制系统中采用RS485总线。通过控制PC机RS232串日，利用RS485信号转换接日，实现RS485总线的通信控制。

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图3-8 RS485的传输方式

RS485总线信号发送被分解为正负两条线路，当到达后，再将信号相减还原出原来信号。所以信号上的干扰会在相减过程中被消除。

RS485总线收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL 电平信号转换成差分信号输出;在接收端，接收器将差分信号变成TTL 电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高灵敏度，能检测低至200mV 的电压，故数据传输可达千米以外。RS-485总线采用二线方式，为保持总线平衡传输,需要在传输线两端并接一个电阻。RS485总线抄表电路连接如图3-9

所示。

图3-9 RS485总线通信结构

由于RS-485无标准通信协议，协议应自定义，RS-485总线的协议制定和软件编程对系统传输的可靠性有很大影响。另外RS-485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机。因此采用RS485总线连接的多个站点，任一时刻只能有一个站点在“说”，其它站点只能处于“听”状态。如果有多于1个的站点在“说”，数据将在通信总线上碰撞，结果使处于接收状态的站l 从收不到正确的数据。

为保证数据传输质量，对每个字节进行校验的同时，应尽量减少特征字和校验字。所以需要制定一套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用

的是数据包通信方式，通信数据是一帧或一包地发送，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。其中引导码是用于同步每一包数据的引导头；长度码是这一包数据的总长度；命令码是主机对分机(或分机应答主

机)的控制命令；地址码是分机的木机地址号；“内容”是这一包数据里的各种信息；校验码是这一包数据的校验标志，采用和校验方式。

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