單片機(jī)控制系統(tǒng)通信模型探析

翁子寒

(上海兒童醫(yī)學(xué)中心,上海 200127)

0 引言

信息科技的不斷進(jìn)步帶動(dòng)著工業(yè)制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級。表現(xiàn)為日趨擴(kuò)大的有關(guān)測量的領(lǐng)域，更多的工業(yè)制造可以進(jìn)行自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)監(jiān)控。單片機(jī)在汽車機(jī)車、光伏發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)、液壓支架、直升機(jī)自動(dòng)飛行等多領(lǐng)域起到了重要作用[1-5]。這樣的態(tài)勢之下，原有的單個(gè)單片機(jī)芯片以及較小范圍內(nèi)的芯片整合所構(gòu)成的功能不能應(yīng)對機(jī)械制造業(yè)內(nèi)的發(fā)展需求。為滿足上述領(lǐng)域?qū)I(yè)控制的需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大面積的過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和測算任務(wù)，有必要在各設(shè)備內(nèi)形成一種通用的信號(hào)傳輸共享機(jī)制，構(gòu)建靈活實(shí)用的分布式系統(tǒng)。此外，還需考慮規(guī)?；I(yè)設(shè)備的復(fù)雜性、即時(shí)性特點(diǎn)，這些均需要物與物、物與PC之間的網(wǎng)絡(luò)相連以保障控制及監(jiān)控的穩(wěn)定高效?，F(xiàn)有文獻(xiàn)較為分散，僅闡述其單個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用單片機(jī)所進(jìn)行的實(shí)用探究，未能從理論上闡述在工業(yè)制造內(nèi)有關(guān)控制、測量、監(jiān)控功能的通信機(jī)理[6-7]。據(jù)此本文構(gòu)建連接到以太網(wǎng)、PC互連、單片機(jī)聯(lián)通的全方位的控制系統(tǒng)，探究利用單片機(jī)芯片完成的通信模型的分析，在歸納概括相應(yīng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)流程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，完成相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件測試。

1 系統(tǒng)層次

分布式控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分層結(jié)構(gòu)

由下往上分別是設(shè)備控制、操作監(jiān)控、信息管理功能[8]。上述功能的載體為經(jīng)過概括整合的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或軟件功能的抽象，具體分配劃分如下。單片機(jī)分布在底端的位置，承擔(dān)對設(shè)備直接操控任務(wù)，依據(jù)上層PC發(fā)出的指令對下面的設(shè)備進(jìn)行操作；處于中間位置聯(lián)通上下兩結(jié)構(gòu)的是一些監(jiān)控軟件，對下將單片機(jī)反饋回來的信息進(jìn)行傳遞，使上層客戶能對整體的運(yùn)轉(zhuǎn)有準(zhǔn)確的把控，同時(shí)通過對單片機(jī)的各類指令，能夠及時(shí)的調(diào)整下層管控的運(yùn)行狀態(tài)；最上面的信息管理是整個(gè)監(jiān)控機(jī)制的關(guān)鍵所在。借助于對由下往上逐級傳遞而來的參數(shù)、數(shù)據(jù)、反饋信息的處理，確?？蛻裟軌蜻M(jìn)行下一階段的指令發(fā)布。對應(yīng)構(gòu)建的通信電路圖，其通過特定的接口模塊連接到某個(gè)監(jiān)控PC上，如圖2所示。

圖2 通信模型

2 多主通信模式

對于尋求特定狀態(tài)下與主動(dòng)向上層設(shè)備發(fā)起通訊連接的狀況，需要利用CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的多主通信模式。上述模式在控制系統(tǒng)內(nèi)體現(xiàn)的較為明顯?？梢罁?jù)規(guī)則讓單片機(jī)最先向監(jiān)PC傳遞數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)控PC巡檢任務(wù)。涉及到軟件、測量單元、適配器等實(shí)體的監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)，其中列出通信幀傳遞的方向和路徑[9]，如圖3所示。

圖3 協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

監(jiān)控層和設(shè)備層傳輸信息所用數(shù)據(jù)幀格式與總線標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)。RS-232協(xié)議調(diào)和上述兩層串行通信。圖4為RS-232協(xié)議幀結(jié)構(gòu)[10]，如圖4所示。

圖4 RS-232協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

給出了數(shù)據(jù)幀的字段說明，OPT與CTL編碼共同表征數(shù)據(jù)幀定義，體現(xiàn)串行通信協(xié)議各項(xiàng)功能。DATA字段大部分時(shí)間是通過CAN數(shù)據(jù)幀起作用，如表1所示。

表1 幀字段說明

上述串行通信協(xié)議具有五類功能，除去SEND以及EVENT之外的均是在調(diào)試過程中所需要的[11]。由此CAN總線網(wǎng)絡(luò)適配器可通過OPT、CTL字段不同的編碼方式明確預(yù)先設(shè)置好的動(dòng)作，詳細(xì)的編碼細(xì)節(jié)不再敘述，如表2所示。

表2 串行通信協(xié)議功能

CAN應(yīng)用層協(xié)議用于數(shù)據(jù)內(nèi)容的共享與交互傳輸，保證遠(yuǎn)程測量單元與監(jiān)控軟件能通過定義的專用設(shè)定控制與傳輸規(guī)則的接口，對應(yīng)幀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 CAN應(yīng)用層協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

其較之RS-232多了基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信模式而增添的尋址功能，對應(yīng)幀字段解釋，表現(xiàn)為參數(shù)和編碼相結(jié)合的命令形式[12]，如表3所示。

表3 幀字段說明

3 主從通信模式

3.1 理論基礎(chǔ)

主從式通信模式的基本特點(diǎn)是待連接的下層單片機(jī)收到來自于監(jiān)控PC的數(shù)據(jù)幀，對照收到數(shù)據(jù)內(nèi)容所帶標(biāo)識(shí)與本身所帶是否一致，以確定是否進(jìn)行應(yīng)答、執(zhí)行、丟棄重發(fā)等操作。在設(shè)備層和監(jiān)控層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交互以完成上下行所用的數(shù)據(jù)幀。其通信時(shí)序圖如圖6所示。

RS-485接口利用Modbus總線協(xié)議進(jìn)行控制器的信息傳輸，完成數(shù)目較多儀器的監(jiān)視和控制[13]。本文將TIA/EIA-485 充當(dāng)物理接口通過RTU模式實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議下的串口通信。RTU模式在波特率一定的情況下的吞吐量高于ASCII模式下的吞吐量[14]。如圖7所示。

3.2 電路設(shè)計(jì)

接口電路作為設(shè)計(jì)，如圖8所示。

其中芯片SN75LBC 184[15]是RS-485類型的且單電源供電。為避免外圍電路干擾，同時(shí)隔斷接口芯片與單片機(jī)可能存在的點(diǎn)連接，利用芯片TLP521起到隔離作用[16]。RS-485中程序作用的機(jī)理是處理主PC發(fā)來的請求幀，從機(jī)應(yīng)答重點(diǎn)在其中的請求功能碼、從機(jī)地址的辨別。

Modbus協(xié)議主從機(jī)通信流程如圖9所示。

圖6 主從機(jī)通信時(shí)序圖

圖7 RTU模式字符序列

所設(shè)通信系統(tǒng)與服務(wù)器進(jìn)行信息交換中的程序是與協(xié)議功能和串口接收相關(guān)的兩部分，主要步驟如下所示。主機(jī)發(fā)送請求報(bào)文幀。從機(jī)獲取到該信息，開始逐步篩選幀內(nèi)的字段，判別是否與本機(jī)地址一致，若對比不一致則即刻丟棄；對比一致檢驗(yàn)判斷主機(jī)請求功能碼，在確保能提供該功能的情況下執(zhí)行動(dòng)作，否則顯示錯(cuò)誤信號(hào)；在這之后，調(diào)用CRC 16檢驗(yàn)函數(shù)，執(zhí)行差錯(cuò)校驗(yàn)任務(wù)，擬定差錯(cuò)校驗(yàn)值置于響應(yīng)報(bào)文幀最后部分，將結(jié)果發(fā)送到主機(jī)。

圖8 RS-485接口電路設(shè)計(jì)

圖9 主從機(jī)通信流程圖

4 測試結(jié)果與分析

通過單片機(jī)通信接口1、2分別對應(yīng)的RS-232、RS-485進(jìn)行連接，以異步方式與儀器設(shè)備聯(lián)通，上述模塊為進(jìn)行測試的串口模塊，本測試主要是驗(yàn)證該接口的性能進(jìn)而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的通信模型的準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行。在本測試中，其他設(shè)備處于在線聯(lián)通狀態(tài)下，相關(guān)設(shè)置如下：RS-232與PC直接聯(lián)通，RS-485經(jīng)過轉(zhuǎn)換器格式變化后再輸入到單片機(jī)內(nèi)。在PC顯示的界面上，依據(jù)串口調(diào)試工具來完成測試。測試中的串口設(shè)置和最終收到數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，如圖10所示。

說明單片機(jī)收到了模擬工具所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)且將之轉(zhuǎn)發(fā)。單片機(jī)借助于RS-232、RS-485得到的調(diào)試工具發(fā)來的信息后，原封不動(dòng)的返回獲取到的信息。串口調(diào)試工具接收結(jié)果處內(nèi)容和發(fā)送操作框內(nèi)的內(nèi)容相同。檢測單片機(jī)內(nèi)串口緩存區(qū)域，也可獲得與上述發(fā)送接收具一致的內(nèi)容。這說明所構(gòu)成的控制系統(tǒng)的通信模塊部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸正常穩(wěn)定。

本文構(gòu)建的通信模型內(nèi)的傳輸功能大多分布在從機(jī)內(nèi)，由從機(jī)向PC或服務(wù)器傳輸信息內(nèi)容。根據(jù)上述設(shè)置，需驗(yàn)證Modbus數(shù)據(jù)幀依據(jù)所設(shè)規(guī)范獲取信息。具體操作步驟如下，選取數(shù)量為2的RS-485總線的進(jìn)行測試驗(yàn)證，標(biāo)記從機(jī)地址依次為01、02。流程第一步為檢驗(yàn)從機(jī)是否與主機(jī)有效互連，確保轉(zhuǎn)換器的效力，同時(shí)保證其相互之間串行相接距離五米。第二步為在主PC上開啟Modscan32，設(shè)置為波特率為5200bps的串口功能，對02從機(jī)傳輸字符為“02 03 00 00 00 02 "的請求幀，隨后收到字符串為“02 03 20 14 10 25 08 13 49 07 00 10"。在上述動(dòng)作發(fā)生后，向01從機(jī)傳輸如上述一致的請求幀，從機(jī)收到后回復(fù)主PC字符串“01 03 20 1410 26 123056010220”。上述流程進(jìn)行完畢之后測試工具M(jìn)odbuscan32內(nèi)狀態(tài)，確認(rèn)相應(yīng)信息的格式和接收狀況完好。如圖11所示。

圖10 發(fā)送和接收界面

圖11 Modbus測試情況

結(jié)果顯示，Modbus協(xié)議下數(shù)據(jù)傳輸未出現(xiàn)遺漏或差錯(cuò)，且從機(jī)得到的信息格式和預(yù)先設(shè)置的相同，通信模塊內(nèi)的RS-485總線通信性能穩(wěn)定性較高。

5 總結(jié)

主要探究單片機(jī)在工業(yè)測量和監(jiān)控內(nèi)的應(yīng)用，對這一控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。在對應(yīng)通信模型的基礎(chǔ)上從多主通信和主從通信兩類模式進(jìn)行RS-232、RS - 485 和CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議的研究。重點(diǎn)對RS-485總線通信的硬件模塊和軟件流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括相關(guān)主從機(jī)的中斷子程序和單片機(jī)功能程序。最后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了Modbus RTU、串口功能測試，驗(yàn)證了單片機(jī)在結(jié)合上述功能模塊構(gòu)造出的通信模型的穩(wěn)定性和有效性。