嵌入式工控網(wǎng)絡的Proteus 仿真研究

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嵌入式工控網(wǎng)絡的Proteus 仿真研究

0引言

嵌入式工控網(wǎng)絡是典型的集散控制系統(tǒng)，在工業(yè)控制現(xiàn)場得到廣泛應用。該系統(tǒng)由上下位機構(gòu)成，上位機實現(xiàn)集中管理，下位機負責分散控制。上下位機之間通過網(wǎng)絡連接[1],上位機采用工控機，可記錄各站點工作狀態(tài)、歷史曲線，發(fā)送控制命令等;下位機通常由單片機、DSP、PLC站點等構(gòu)成，負責獨立控制現(xiàn)場設備。

Proteus是一款集單片機仿真與SPICE分析于一體的EDA仿真軟件。一般情況下，虛擬仿真環(huán)境不能與實際的物理環(huán)境進行交互通信，但Proteus提供的組件COMPIM(串行接口組件)，使Proteus虛擬環(huán)境與實際的物理環(huán)境直接交互成為可能。當PC機或UART軟件生成的數(shù)字信號出現(xiàn)在COM口(串口)時，COMPIM能緩沖接收數(shù)據(jù)[2]。鑒于此，以Proteus為單片機開發(fā)平臺，可在一臺PC上實現(xiàn)嵌入式工控網(wǎng)絡設計與仿真分析。PC機與下位機之間通過COM口連接，設計關鍵是通信協(xié)議。

1Proteus虛擬環(huán)境與上位機通信模型

Proteus虛擬環(huán)境在PC1，串口調(diào)試助手軟件在PC2，且PC1與PC2都有物理串口[3]。Proteus虛擬環(huán)境與實際PC通信模型如圖1所示。

圖1　Proteus虛擬環(huán)境與實際PC的通信模型圖

Proteus虛擬環(huán)境與虛擬PC串口的通信模型如圖2所示。

圖2　Proteus虛擬環(huán)境與虛擬PC的通信模型圖

如果不希望使用物理PC串口而使用虛擬PC串口，則可在一臺PC上實現(xiàn)Proteus虛擬環(huán)境與虛擬PC串口之間的通信。這時，還需要安裝虛擬串口驅(qū)動軟件(virtual serial port driver,VSPD)。這對手提電腦的用戶非常實用，因為手提電腦通常沒有物理COM口。

2基于Proteus 的嵌入式工控網(wǎng)絡設計

2.1嵌入式工控網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的設計

嵌入式工控網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　嵌入式工控網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

上位機為PC機及應用軟件，下位機由單片機構(gòu)成應用系統(tǒng)，上下位機之間通過串口連接。由于實際工控網(wǎng)絡系統(tǒng)需要串口連接線，考慮到串口驅(qū)動能力，下位機最多可連接32個單元，且終端需要120 Ω匹配阻抗。在Proteus虛擬環(huán)境中，上下位機之間的通信不需要串口連接線，通過虛擬串口驅(qū)動軟件Virtual Serial Port Driver實現(xiàn)驅(qū)動，且下位機數(shù)量不受限制。端口分配：上位機為COM5，下位機1～32全部為COM4。

2.2嵌入式工控網(wǎng)絡通信協(xié)議設計

嵌入式工控網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可分為應用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層3層。應用層負責應用程序的管理和執(zhí)行，其功能由單片機及PC應用程序?qū)崿F(xiàn)；數(shù)據(jù)鏈路層為串口通信協(xié)議(如異步數(shù)據(jù)幀格式)，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實現(xiàn)傳輸速率和差錯控制；物理層為物理接口和傳輸介質(zhì)[4-5]。

應用層通信協(xié)議由地址碼、數(shù)據(jù)標志、數(shù)據(jù)碼構(gòu)成。地址碼有5位，共32個代碼，對應32個子站；數(shù)據(jù)標志說明每幀傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如每幀傳輸128個字節(jié)數(shù)據(jù)，則為7位，數(shù)據(jù)標志的長度可根據(jù)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度增減；數(shù)據(jù)碼為待傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不足的補0處理。在實際應用時，考慮到傳輸?shù)目煽啃裕€可在數(shù)據(jù)碼后面增加校驗碼，如循環(huán)冗余校驗[6]。

鏈路層通信協(xié)議，即串口異步數(shù)據(jù)幀，如圖4所示。

圖4　鏈路層通信協(xié)議

上位機發(fā)送給下位機的數(shù)據(jù)，按照應用層協(xié)議組成數(shù)據(jù)包，發(fā)送時以二進制形式按字節(jié)發(fā)送至串口；鏈路層協(xié)議為異步數(shù)據(jù)幀，上位機和下位機分別通過程序設置完成，包括端口號、波特率、數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗位，應用層數(shù)據(jù)發(fā)送至串口的數(shù)據(jù)自動按照鏈路層協(xié)議傳輸[7]。下位機接收到上位機數(shù)據(jù)以后，先分離地址碼，并與本機地址碼進行比較，確認為本機地址碼后，再接收數(shù)據(jù)標志和數(shù)據(jù)；若不是本機地址碼，則不接收后面的數(shù)據(jù)標志和數(shù)據(jù)。下位機發(fā)送給上位機的數(shù)據(jù)，也按照同樣的規(guī)則傳輸[8]。

3基于Proteus 的嵌入式工控網(wǎng)絡的實現(xiàn)與仿真

3.1功能要求

本文所設計的嵌入式工控網(wǎng)絡的主要功能要求是：主站(上位機)發(fā)送數(shù)據(jù)至子站(下位機)，控制子站LED燈的循環(huán)點亮與熄滅；子站接收來自主站的指令后，可以獨立工作，互不影響。此外，子站開關閉合后，可控制子站向主站發(fā)送文本信息。主站可以接收來自各個子站發(fā)送的信息并且加以顯示，同時不同的文本信息不會被擦除，以待分析對比。

3.2通信協(xié)議設置

應用層通信協(xié)議設置：根據(jù)控制子站的個數(shù)和所發(fā)送指令的長短，可自行確定通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀長度。本文以控制兩個子站為例，考慮到實際應用中最多可控制32個子站，故設置子站地址碼為“00000”和“00001”，分別對應子站1和子站2；數(shù)據(jù)標志為2位，可以標志出數(shù)據(jù)碼中1～4個有效字節(jié)數(shù)，即“00”(1個有效字節(jié))、“01”(2個有效字節(jié))、“10”(3個有效字節(jié))、“11”(4個有效字節(jié))；控制命令循環(huán)點亮LED為“1”，熄滅LED為“0”，控制命令作為數(shù)據(jù)碼，需要補零處理，可以組成2個有效字節(jié)。數(shù)據(jù)幀包如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)幀組成

將這些數(shù)據(jù)幀包賦給data數(shù)組，由VB以二進制形式發(fā)給子站。主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，子站接收主站的數(shù)據(jù)幀，然后對地址和數(shù)據(jù)進行分離。判斷數(shù)據(jù)幀中的地址碼，如果是自己的地址碼，則根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的控制指令作出相應的反應。

鏈路層通信協(xié)議設置：為了便于串行通信設置，下位機(AT89C51)晶振時鐘頻率為11.059 2 MHz。打開串行接口組件COMPIM屬性對話框，設置端口為COM5。該串口是使用軟件虛擬出來的，波特率為9 600 bit/s，有8個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，有1個停止位。上位機端口為COM4，其他設置與下位機一致。COM4、COM5由虛擬串口驅(qū)動軟件(VSPD)構(gòu)建虛擬串口，可在一臺計算機上實現(xiàn)嵌入式工控網(wǎng)絡仿真。

3.3硬件實現(xiàn)

上位機使用VB構(gòu)建應用界面，包括上位機對下位機所有控制按鈕及用于接收下位機發(fā)送過來的文本信息的文本框，執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。下位機是由單片機組成的應用系統(tǒng)，其硬件在Proteus中實現(xiàn)，主要完成硬件平臺的搭建和仿真效果的測試。

在Proteus ISIS環(huán)境中，調(diào)用2個AT89C51單片機、COMPIM組件(該組件設置單片機串口通信協(xié)議)等，組成單片機通信系統(tǒng)。COMPIM已經(jīng)自帶電平轉(zhuǎn)換功能，就不需要MAX232元件。在P1口接8個LED，單片機的P3.0、P3.1分別與串口元件COMPIM的RXD、TXD相連。同時，單片機的P3.2分別連接一個按鈕，用于觸發(fā)外部中斷，使下位機發(fā)送文本信息至上位機。

3.4軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)包括PC上位機軟件和下位機單片機系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)。

(1)上位機控制程序設計。

上位機使用VB建立界面和通信程序，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。在工程中添加MSCOMM控件，然后進行相應的屬性設置(波特率、奇偶校驗、停止位、發(fā)送與接收事件的觸發(fā)方式、發(fā)送數(shù)據(jù)的類型等)，就可以用它發(fā)送與接收二進制數(shù)據(jù)或文本數(shù)據(jù)。上位機控制流程如圖5所示。

(2)下位機控制程序設計。

下位機中的單片機主要完成串口接收與發(fā)送。下位機的單片機程序在Keil軟件中編寫。Proteus中的單片機系統(tǒng)加載控制程序，可實現(xiàn)聯(lián)調(diào)，以便對嵌入式工控網(wǎng)絡進行評估、驗證。此外，還可以通過改變元器件參數(shù)優(yōu)化電路設計。控制流程如圖6所示。

圖5　上位機控制流程圖(發(fā)送數(shù)據(jù))

圖6　下位機控制流程圖(接收數(shù)據(jù))

3.5嵌入式工控網(wǎng)絡的仿真分析

啟動Proteus和VB的仿真按鈕，點擊VB(主站)中相應的按鈕，觀察分析仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7　嵌入式工控網(wǎng)絡的仿真結(jié)果

圖7中，電阻R的阻值為200Ω。上位機控制下位機2的LED燈被循環(huán)點亮。綜合其他仿真結(jié)果，分析說明了該嵌入式工控網(wǎng)絡設計實現(xiàn)了上位機對下位機即多個單片機的獨立控制。單擊仿真電路里的K1(或K2)觸發(fā)外部中斷，下位機發(fā)送信息至上位機中的VB應用程序。

本設計不僅實現(xiàn)了PC機控制多個下位機的任務，同時還可以接收多個下位機發(fā)送來的信息，從而實現(xiàn)了嵌入式工控網(wǎng)絡中上位機與下位機之間的雙向通信。

4結(jié)束語

本文在串口通信的基礎上，設計了一種適應于嵌入式工控網(wǎng)絡的通信協(xié)議。以Proteus虛擬環(huán)境為平臺，采用AT89C51單片機設計了兩個子站(下位機)，用VB設計主站(上位機)程序，并借用虛擬串口驅(qū)動軟件(VSPD)構(gòu)建虛擬串口。該設計在一臺PC上實現(xiàn)了上位機與下位機之間的通信。仿真結(jié)果表明，設計結(jié)果滿足嵌入式工控網(wǎng)絡的應用要求。

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Research on Proteus Simulation for Embedded Industrial Control Network

從宏壽蔡嬈嬈

(安徽工業(yè)大學電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山243000)

摘要：以Proteus為平臺，對同一窗口放置多個單片機構(gòu)成多個子站(下位機)進行了研究。采用COMPIM組件，結(jié)合物理串口或虛擬串口，應用VB6.0、C51分別編寫上位機程序、下位機程序，實現(xiàn)子站(下位機)與主站(上位機)的通信，構(gòu)成嵌入式工控網(wǎng)絡。若采用虛擬串口，可在一臺PC上實現(xiàn)嵌入式工控網(wǎng)絡的仿真研究。設計結(jié)果滿足嵌入式工控網(wǎng)絡的應用要求。

關鍵詞：Proteus串口通信通信協(xié)議通信模型嵌入式工控網(wǎng)絡單片機集散控制系統(tǒng)VB

Abstract：With Proteus as the platform,the scheme of placing multiple single chip computers in the same window to constitute a plurality of sub-stations(lower computers) is researched.By using COMPIM components and combining physical serial port or virtual serial port,and VB6.0,C51 for respectively writing program of host computer and lower computer program,the communication between substation(lower computer) and master station(host computer),and the embedded industrial control network is constituted.If virtual serial ports are used,the simulation research of embedded industrial control network can be implemented on one PC.The design result meets the application requirement of embedded industrial control network.

Keywords:ProteusSerial communicationCommunication protocolCommunication modelEmbedded industrial control networkMCUDistributed control system(DCS)VB

中圖分類號：TP368;TH89

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604014

國家自然科學基金資助項目(編號：51277003)。

修改稿收到日期：2015-05-30。

第一作者從宏壽(1971-)，男， 2005年畢業(yè)于西安電子科技大學自動化專業(yè),獲碩士學位，副教授；主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)和計算機控制。