利用ＰＣ機控制多機分布式系統的設計與實現

2008-01-01 00:00:00方英蘭韓兵

電腦知識與技術 2008年5期

摘要：本文設計了一種基于單+5V電源的，利用目PC機來實現對分布在不同地方的下位機進行統一管理的系統。本系統以動態編址的多機通信模塊為實現目標，以實現系統規范性、實用性、可擴展性和模塊化為設計宗旨，真正實現分散運行、集中管理的網絡化管理。

關鍵詞：PC機；分布式；下位機

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)05-10000-00

1 引言

當前，許多產品已經采用單片機作為其本身的一部分，但隨著計算機領域的技術不斷發展，很多產品已經不能滿足用戶的要求，例如：在加油站，現在的大部分加油機只具有單機的控制和簡單的數據查詢功能，隨著計算機技術和行業本身的發展，需要一種分散經營、集中管理的網絡化經營管理模式，這時就需要對原有系統進行技術改造和二次開發。另外在對某些廠礦的數字儀表數據的集中測控和查詢、匯總等，原來的產品也無法滿足需要，如果對原有產品進行重新研制開發，則不僅會費時費力，而且由于重復投資還會浪費更多的資金，只有在原有系統的基礎上進行二次開發才是最佳的解決方案。

由于目前基礎系統都是單一電源+5V，所以本系統在通訊芯片的選擇上，摒棄傳統的1488和1489芯片，選用單+5V供電的雙組驅動器/接受器芯片來適配基礎系統，使整個系統完全運行在基礎系統的單+5V電源下，避免了傳統通訊電路的+12V和-12V，減少了電源的支出和簡化了硬件電路設計；在對下位機的地址編碼方面，傳統上是將下位機編碼作為常量直接固化到芯片，而本系統擬用8段DIP開關來設置下位機地址，從而達到可隨時設置，使整個系統更加方便靈活；在數據測控方面，本系統將具有模塊化特性，使用戶能夠根據不同情況方便的對其接口進行擴展；同時還將符合網絡化特征，在通信方面，采用性能較好的485總線方案來適應遠距離傳輸；在程序設計方面，下位機主要進行數據的采集，而上位機則主要進行相關數據的處理、保存和匯總。

該多機分布式系統，上位機和各下位機可實現全雙工通信，而各下位機之間只能通過上位機進行信息交換。各個下位機有各自的本機編碼，以便上位機識別和實現通訊。

2 系統設計

2.1 系統總體結構

本系統如下圖1所示，系統主要分三層：上位機控制層，數據傳輸層，下位機響應層。

圖1下位機的功能結構圖

上位機完成系統的管理任務。主要從系統管理、基本信息管理、業務管理、綜合查詢、日志管理等方面對系統進行管理。

數據傳輸層完成上位機和下位機數據的傳輸。上位機采用輪詢的方式進行數據采集和系統監控，這樣只有和上位機正常握手的下位機才能和上位機進行數據傳輸。

下位機完成數據采集、響應、存儲和控制等工業控制。下位機是通過485總線和上位機進行通信，上位機將接收的傳輸信息利用RS232－485實現信息的轉換，這樣可直接使用原有的RS－232端口完成信息的傳遞，既減少對上位機的改造，又實現遠程通訊距離長的要求。

2.2下位機設計

根據系統要求，下位機在硬件實現上分為七個部分：波特率自適應、上電復位、地址讀取、數據采集、數據控制、片（內）外程序切換、通訊。由于整個系統運行于單+5V電源，所以可以直接采用原有系統的電源部分，這樣除了信號采集部分需要和本系統進行接駁之外，基本上不需要對原有系統進行額外的改造。

1)波特率自適應

下位機發送自己的地址進行注冊波特率，上位機發送應答，下位機對首字節解析，直到和上位機波特率一致。

2)上電復位

系統中復位采用的是傳統的經典電路，即復位采用手動脈沖復位電路，以便能夠在系統無法使用軟件復位的情況下進行手工復位。上體設計是利用單片機本身的復位/備用電源線，使單片機處于復位（即初始化）工作狀態，需要一個包括上電和按鈕復位在內的系統同步復位電路。

3)地址讀取

系統的地址讀取利用74LS373的單向通道特性進行屏蔽其他電平，讀取指定的地址信息，地址由八段開關DIP8來設置，數據由CPU的P1端口讀取。本系統將P1端口八個管腳分別和8位的DIP開關進行相連，根據讀取到的開關量達到對該下位機的地址的設置，以滿足下位機地址靈活配置的要求，這樣以來，系統最多可支持28= 256個下位機。

4)數據采集

系統的數據采集利用74LS373的單向通道特性進行屏蔽其他電平，讀取指定的需要采集的數據信息，數據接口由8條數據線連接外圍電路，數據由CPU的P1端口讀取。

5)數據控制

系統的數據控制利用74LS373的單向通道特性進行屏蔽其他電平，根據上位機指定的控制信號，對外圍系統進行控制信號的電平輸出，數據由CPU的P1端口送出。

6)片外ROM讀取

系統的片外存儲器的擴展采用74LS373和具有28管腳的27系列EPROM或25系列的EEPROM，以便能夠最大擴展32K的程序空間。為了將來的功能程序擴展，對CPU進行片外EPROM的擴展，利用CPU的P0和P2端口進行擴展。

7)通訊模塊

系統的的通訊模塊利用MAX485來完成下位機與上位機的數據傳輸功能。

8)其他說明

由于CPU的端口資源緊張，系統采用了74LS04的一個鎖存器來進行信號分離達到端口復用功能，有效的達到了在同一個端口P1既可使用地址的讀取，又可以進行數據的采集和控制。

由于現場設備的不同，導致了數據采集的類型多種多樣，常見的有開關量、8段數碼量、A/D轉換信號、繼電器等等。為了采集不同類型的數據，本系統為下位機提供了8位采集線，用戶可根據具體情況在上位機中靈活配置采集信號的讀取位置，從而滿足不同信號的采集，其余的可作為控制線進行使用。根據上位機定義好的協議，按照信號類型和控制指令進行相應的處理，例如聲光報警、為繼電器等其他器件提供信號等等。

此外，為了保證數據采集的準確性，在軟件設計上我們采用三中取二的方法來保證數據采集的正確性，即對每個數據連續采集三次，將兩次相同的數據作為采集到的數據進行傳輸，否則重新采集直到讀取成功，以此來保證采集到的數據有效性。

2.3 上位機設計

上位機系統的功能包括：系統管理、基本信息管理、業務管理、綜合查詢、日志管理。

1)系統管理

系統管理主要實現對系統的登錄、口令、操作員、負責人等信息進行管理

2)基本信息管理

基本信息管理主要是對系統字典、下位機的地址、上下位機傳輸數據、下位機詳細信息和報警等信息進行管理。

3)業務管理

業務管理主要是對上下位機之間包括波特自適應、下位機注冊、心跳監測、數據查詢和控制處理等各個不同的業務過程進行管理。

4)綜合查詢

綜合查詢主要是實現對上下位機傳送的數據、上下位機傳送的數據是否成功、下位機報警信息、下位機的任務設置、用戶的登錄信息、下位機詳細信息、負責人的信息等按照不同的條件進行查詢過濾。

5)日志管理

日志管理主要是對上下位機的日常操作進行查詢或刪除管理。

為了保證系統能夠正常的安全、穩定的運行，不僅在下位機利用看門狗監控，而且在上位機也有類似的功能。這就是心跳監測，即上位機在后臺專門啟動一個心跳監測進程，利用輪詢的方式每隔一段時間，對每個下位機進行握手通訊，以巡視各個下位機當前的工作狀況，如果在指定的時間內沒有接到下位機的握手反饋信號，那么系統將利用聲光進行報警，以便提醒人工干預，從而保證系統的正常運行。

2.4 RS232－485轉換

由于目前工業中常用的是RS232串行通訊接口，RS-232-C一般用于20m 以內的通信；RS-232 屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題。而RS-485 采用平衡發送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV 的電壓，傳輸信號能在千米以外被恢復。所以要實現通過上位機控制具有RS-485的串行通訊接口的下位機，必須實現RS232－485轉換。

1)功能要求

RS232/485轉換器是RS-232與RS-485之間的雙向接口轉換器。簡單的兩線通訊，可以架構RS485半雙工多點位通信網絡。已被廣泛地應用于點到點，點到多點的RS485接口設備的通信。

該轉換器能夠將RS-232串行口的TXD和RXD信號數據轉換成兩線平衡的半雙工RS-485信號。無需外接電源，可直接從RS232端口的3腳竊電，同時由7針請求發送(RTS)、4針數據終端準備好(DTR)輔助供電。

2)性能參數

表1 性能參數表

3)系統應用

本系統已在加油站、煤廠得到了實際應用，系統運行情況良好、穩定。本系統為企業通過PC機實現了對各個下位機的數據自動采集、控制處理和實時監控，使之成為一種分散經營、集中管理的網絡化經營管理模式。同時對原有系統進行技術改造和二次開發過程中為企業在節約了資金，并且為企業的績效管理、任務考核和安全生產提供了可靠的依據和保障，得到了用戶的高度評價。本系統主要有以下特點：

1)完全運行在單+5V電源，可直接使用基礎系統的供電電源。

2)本系統在對上位機和下位機通訊方面采用8段DIP開關對下位機進行編碼，上位機在整個網絡系統中靈活的對下位機進行分組測控和通信。

3)選擇28腳的 EPROM的兼容性，使系統在不改變硬件系統就能適當的改變系統功能，為以后系統的二次開發打下了良好的基礎。

4)在網絡數據傳輸方面，本系統采用當前流行的485總線方案，能夠適應下位機比較分散的場合，保證長距離數據傳輸的正確性。

5)上位機對傳輸來的數據進行整理、存儲和處理，滿足用戶的各種要求，可以充分利用了主機的硬盤來存儲數據，減少了下位機存儲器的開銷。

4 結束語

在研究和開發本系統的過程中，充分借鑒了目前的先進技術，同時又充分考慮了保留原有系統的功能。該系統真正可以通過PC機控制實現分散運行在不同地方的下位機進行集中管理的網絡化管理。

參考文獻：

[1]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[J.北京；北京航空航天大學出版社，2001.

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[4]http://www.51c51.com/