系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

1、一種RS-485總線自定義通信協(xié)議及其應(yīng)用發(fā)布日期:2005-12-25作者:羅勇 劉澤藝 晏 凱 陳云洽 來(lái)源:單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)用層數(shù)羸鏈路層物理層-*物理媒介f數(shù)據(jù)鏈路層 物理反-摘要：RS -485總線是集散控制系統(tǒng)常用的組網(wǎng)方法，但具體的通信協(xié)議一并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文詳細(xì)討圖1基于RS-485自正義協(xié)議的分層模型論一種基于RS-485總線通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，具有可靠、編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，能夠很容易地移植到其它系統(tǒng)中；結(jié) 合一個(gè)電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)例，介紹本協(xié)議的具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞：RS-485通信協(xié)議集散控制系統(tǒng)1概述在工業(yè)控制系統(tǒng)中，集散控制是目前最常用的測(cè)量控制方

2、式。通常，一個(gè)集散控制系統(tǒng) 由一個(gè)主控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和一系列基于MCU的前端智能儀器（下位機(jī)）構(gòu)成，它們 之間再通過一定的物理媒介連接在一起，以完成必要的通信功能。對(duì)于一個(gè)特定的測(cè)控 系統(tǒng)而言，所要測(cè)控的對(duì)象和所采取的測(cè)控算法是個(gè)有個(gè)性的東西；而上位機(jī)和下位機(jī) 之間的通信可以看作是一系列命令流和數(shù)據(jù)流的流動(dòng)，所采用的通信協(xié)議是用來(lái)保證傳 輸過程的可靠和高效，是具有共性的，能夠也應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在集散控制系統(tǒng)中，普遍采用RS-485總線作為底層通信接口。它具有穩(wěn)定可靠、編程 簡(jiǎn)單、組網(wǎng)快速、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但在協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面并沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，導(dǎo) 致不同的控制系統(tǒng)常常采用不同的通

3、信協(xié)議。因此，有必要結(jié)合我們的工作實(shí)踐，設(shè)計(jì) 一種有通用性的高效可靠的協(xié)議，從而簡(jiǎn)化基于RS-485的分布式測(cè)試系統(tǒng)通信部分的 設(shè)計(jì)，既能夠保證通信的穩(wěn)定可靠，又能夠把精力集中到測(cè)控系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)上。RS-485接口芯片前端機(jī)（MCS-51）圖2 RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的拓/結(jié)構(gòu)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)通常采用分層的機(jī)構(gòu)，如ISO的OSI參考模型。這里也采用分層的結(jié)構(gòu)來(lái)描述我們 自定 些翌七典笑熱爻賓*一X-加產(chǎn)就此叫 義的基于RS-485總線的圖4數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)通信協(xié)議，如圖1所示。設(shè)定總的循環(huán) 次數(shù)f=N（接攻買呢選出）圖1中，物理層是利用物 理媒介實(shí)現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī) 程，提供用于

4、建立、保持和斷開物理連接的機(jī)械的、 電氣的、功能的和過程的條件；數(shù)據(jù)鏈路層用于建 立、維持和拆除鏈路連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)墓δ埽?應(yīng)用層針對(duì)不同的應(yīng)用，利用鏈路層提供的服務(wù)， 完成不同通信節(jié)點(diǎn)之間的通信。下面結(jié)合每一層討論這種自定義協(xié)議的具體設(shè)計(jì)， 重點(diǎn)介紹如何實(shí)現(xiàn)可靠高效的通信，如何處理通信 中錯(cuò)誤，如何編程實(shí)現(xiàn)。囹3接收瑁序邛ece e己流程圖2協(xié)議的設(shè)計(jì)2.1物理層協(xié)議設(shè)計(jì)RS-485通信網(wǎng)絡(luò)是一種總線式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。上位機(jī)（以PC為例）和下位機(jī)（以 基于MCS-51的智能儀器為例）都掛在通信總線上，物理層的通信協(xié)議由RS-485標(biāo)準(zhǔn)和 MCS-51的多機(jī)通信方式共同方式。EIA

5、RS-485 標(biāo)準(zhǔn)RS-485是工業(yè)界使用最為廣泛的雙向、平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口，支持多點(diǎn)連接，允許創(chuàng)建多 達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；具有傳輸距離遠(yuǎn)（最大傳輸距離1200m），傳輸速率快（1200 m 時(shí)為100kb/s），抗干擾能力強(qiáng)，布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。MCS-51串口的多機(jī)通信方式MCS-51具有多機(jī)通信功能。當(dāng)串口以方式2（或方式3）接收時(shí)，若SM2（多機(jī)控制位） 為1，這時(shí)只接收第9位為1的串行數(shù)據(jù)（把第9位為1的串行字節(jié)稱為地址，把第9 位為9的串行字節(jié)稱為數(shù)據(jù)）；當(dāng)SM2=0時(shí)，不論第9位為何值都接收。這種功能使得基于MCS-51的智能儀器能夠方便地通過RS-485接口芯片組成網(wǎng)絡(luò)。2.1.3物

6、理層的功能物理層要完成發(fā)送及接收字節(jié)流的任務(wù)，但對(duì)傳輸過程的可靠性不做出保證，而由高層 協(xié)議來(lái)保證。物理層為鏈路層提供接口（以子程序的形式來(lái)描述），包括Send子程序（功能為發(fā)送一個(gè)字節(jié)）及Receive子程序（功能為接收一個(gè)字節(jié)）。發(fā)送程序比較簡(jiǎn)單，接收程序的流程如圖3所示（以MCS-51為例）。采用循環(huán)查詢RI 標(biāo)志位的方式，可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（即在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)內(nèi)）實(shí)現(xiàn)一個(gè)字節(jié)的接收。 規(guī)定時(shí)間的長(zhǎng)短由循環(huán)次數(shù)決定。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未收到，則視為通信失敗。類型會(huì)（1城元茶函袍政（ii|知耐孚節(jié)】-15登冬254日）2.2數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)圖6應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層的基本通信單位

7、是帖，幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。是否成功才（冬墮結(jié)束）S endF ramcT 程厚清除緩沖區(qū)已接收的了節(jié)（接收錯(cuò)設(shè)思更）（段收成功，結(jié)乘）ReceiveFrame 子程序圖5發(fā)送7接收幀的程序流程圖*幀長(zhǎng)度域?yàn)槊恳粠牡谝粋€(gè)字節(jié)，用來(lái)說明幀體的長(zhǎng)度。*冗余幀長(zhǎng)度域是可選的，它是幀長(zhǎng)度域的重復(fù)，可以用來(lái)檢查在傳輸過程中幀長(zhǎng)度域 是否存在傳輸錯(cuò)誤。*幀體域用來(lái)封裝來(lái)自上層（應(yīng)用層）的數(shù)據(jù)報(bào)，長(zhǎng)度是1255B，鏈路層對(duì)這一部分不 做處理，由應(yīng)用層處理。鏈路層可以采用如下方法進(jìn)行差錯(cuò)處理。首先，幀長(zhǎng)度域的引入可以方便程序的設(shè)計(jì)， 同時(shí)也能夠起到一定的檢查錯(cuò)誤的功能，可以發(fā)現(xiàn)傳輸過程中丟失字節(jié)的錯(cuò)誤，并且丟

8、棄緩沖區(qū)接收錯(cuò)誤的字節(jié)。首次，可以采用冗余字節(jié)的方法，對(duì)關(guān)鍵字節(jié)（幀長(zhǎng)度）發(fā) 送兩次，只有接收到的兩個(gè)幀長(zhǎng)度字節(jié)一致時(shí)才認(rèn)為接收到的是正確的。此外，對(duì)發(fā)送 的每個(gè)字節(jié)可以采用CRC校驗(yàn)等方法進(jìn)行校驗(yàn)。鏈路層向上層（應(yīng)用層）提供的接口（以子程序的形式來(lái)描述）為SendFrame （功能是 發(fā)送一幀）和ReceiveFrame （功能是接收一幀），程序流程如圖5所示，其中利用了下 層（物理層）提供的接口。2.3應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)用層是協(xié)議的最高層，它的設(shè)計(jì)對(duì)于不同的應(yīng)用可以有所不同，但是也存在很多通用 性的原則。應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)的格式如圖6所示。*類型域用來(lái)指定數(shù)據(jù)報(bào)的類型，一共可以表示256種類型，其

9、中，0用來(lái)表示數(shù)據(jù)；其 它256種用來(lái)表示命令。*冗余類型域是可選的，它的作用是檢查類型域在傳輸過程中是否存在錯(cuò)誤。*數(shù)據(jù)域是通信中傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等。數(shù)據(jù)報(bào)可以分成兩類：命令型數(shù)據(jù)報(bào)（類型域不為0）和數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)報(bào)（類型域?yàn)?）。 具體的命令可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)，由具體程序負(fù)責(zé)解釋。應(yīng)用層也個(gè)有一定的差錯(cuò)檢查能力：首先，它引入了冗余類型字節(jié)；其次，數(shù)據(jù)域字節(jié) 也可以采用CRC校驗(yàn)等方法進(jìn)行校驗(yàn)。上位機(jī)程序*呼叫某-下位機(jī)地址發(fā)送上伯存偷敷據(jù)的命令幀存佩接收的敬町*侏持颼址呼叫4收到下一個(gè)地扯其它命令 的處理圖7上位機(jī)收集下位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流程3協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用在設(shè)計(jì)基于RS-485

10、的分布式測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，在上位機(jī)呼叫下位機(jī)地址之后就可利用本協(xié) 議的規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)具體的通信流程?；诒緟f(xié)議的通信可以有兩種機(jī)制。一種是面向握手的，即每發(fā)出一幀，總是要等待確 認(rèn)幀，否則將認(rèn)為是通信出錯(cuò)。這是一種可靠的通信方式，適合傳輸系統(tǒng)命令和一些非 常重要的系統(tǒng)參數(shù)。另一種是無(wú)握手的，即發(fā)送方假設(shè)接收方總是接收正確，從而無(wú)須 等待確認(rèn)幀就不停地發(fā)送，適合大量前端采集數(shù)據(jù)的發(fā)送。這種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送過程 簡(jiǎn)單、快速，缺點(diǎn)是不能保證傳輸過程的可靠性。另外，接收方倘若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能接收到數(shù)據(jù)，則可以發(fā)送復(fù)位幀，同時(shí)接收方的 程序回到通信程序的開始，并清空緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)；而發(fā)送方的收到復(fù)位幀后也回到通信

11、 程序的開始，并清空緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。然后，雙方重新同步。發(fā)送瓶業(yè);的命令0比 | 匝必瞬發(fā)斑結(jié)束QlhOF2h0ti | OF4h()1 hOF8h 數(shù)據(jù)幀；帆長(zhǎng)1H） | COh（類塑）術(shù)求1勺敬據(jù)IS3幀格宣本協(xié)議已經(jīng)成功地運(yùn)用到一個(gè)分布式電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，不僅簡(jiǎn)化通信程序的 設(shè)計(jì)，而且保證了通信的高效和可靠。該系統(tǒng)基于RS-485總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖2 類似。下位機(jī)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的電力量的采樣和存儲(chǔ)，上位機(jī)負(fù)責(zé)循環(huán)呼叫下位機(jī)，以了解現(xiàn) 場(chǎng)情況是否正常，并且每幀一定時(shí)間收集下位機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析管理。 上位機(jī)收集下位機(jī)數(shù)據(jù)的程序流程如圖7所示。因?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)數(shù)量比較大，所以通信過程

12、采用了無(wú)握手方式，以簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，提高通 信速度。通信雙方在接收時(shí)使用了復(fù)位幀，以保證在失去同步后及時(shí)恢復(fù)。幀格式如圖 8所示（沒使用冗余字節(jié)）。實(shí)驗(yàn)證明，本協(xié)議具有編程簡(jiǎn)單、通信可靠、易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地推廣到基于 RS-485的分布式測(cè)控系統(tǒng)中。RS-485遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)武漢波仕電子有限公司RS-485總線型遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，這主要因?yàn)镽S-485總線具有傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。在傳輸速率為9600 bit/s時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km以上，最高傳輸速率可達(dá)10Mbit/s，且只用普通雙絞線即可，同一對(duì)雙絞線上可以掛接多至2 56個(gè)以上的終端。有許多工業(yè)測(cè)控模塊都是采用RS-485總

13、線型的，比如Adam、Nudan等，但價(jià)格較高。本文介紹的RS- 485 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)的分布式測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)、利用了 RS-485總線的特點(diǎn)，而且巧妙地應(yīng)用了 AT89C2051單片機(jī) 和CD4067多路開關(guān)，因而成本低，功能靈活，使用簡(jiǎn)單。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)由一臺(tái)PC作為主機(jī)，多至255臺(tái)AT89C2051單片機(jī)作為從機(jī)，如圖1所示。主機(jī)的RS-232串行口經(jīng)過外插 式的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器變成RS-485的數(shù)字信號(hào)總線。PC與單片機(jī)之間通過RS-485數(shù)字信號(hào)總線進(jìn)行串行通信。圖1系統(tǒng)原理圖單片機(jī)的串行口通過MAX485芯片轉(zhuǎn)換成RS-485規(guī)程。單片機(jī)的P1.0P1

14、.3用于作為兩片CD4067 （16選1多路 開關(guān)）的地址選擇信號(hào)。兩片CD4067共同構(gòu)成一個(gè)雙16選1多路開關(guān)。PC首先發(fā)出所要選中的單片機(jī)編號(hào)m （0254）, 然后發(fā)送該單片機(jī)控制的通道的序號(hào)n （015）,這時(shí)第m個(gè)單片機(jī)的第n個(gè)通道選中，其信號(hào)與本系統(tǒng)的模擬信號(hào)總線相 通，并傳送到PC并行口（即打印口）上掛接的微型數(shù)據(jù)采集器上。微型數(shù)據(jù)采集器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī) 進(jìn)行記錄和顯示。如果被選中的通道的模擬信號(hào)是電流信號(hào)而不是電壓信號(hào)，則需要在模擬信號(hào)總線之間并接一只電阻，以 便將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。為了能有效地傳送比較微弱的模擬信號(hào)，比如熱電偶的熱電勢(shì)信號(hào)，系統(tǒng)的模

15、擬信號(hào)總線必 須使用屏蔽電纜。微型數(shù)據(jù)采集器應(yīng)選用帶多量程選擇和程控放大的型號(hào)，以適應(yīng)各種傳感器輸出信號(hào)的要求。本系統(tǒng)也可 以用來(lái)遠(yuǎn)程控制繼電器和電機(jī)等，此時(shí)利用微型數(shù)據(jù)采集器的D/A轉(zhuǎn)換功能。比如第m個(gè)單片機(jī)的第n個(gè)通道接的是一個(gè)固 態(tài)繼電器，首先PC通過串行口發(fā)出地址信號(hào)選中該通道，然后PC通過微型數(shù)據(jù)采集器向該通道發(fā)出開或關(guān)的控制信號(hào)（經(jīng) 過D/A轉(zhuǎn)換）。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主機(jī)PC所配的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器和微型數(shù)據(jù)采集器都已有市售的產(chǎn)品，價(jià)格也較低。從機(jī)單片機(jī)及其外圍電路的 組成見圖2。RS-485數(shù)字信號(hào)總線經(jīng)過MAX485芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平的RS-232信號(hào)以便與AT89

16、C2051的串行口相配。AT89C 2051的P1.0P1.3分別接到兩片CD4067 （16選1多路開關(guān)）的地址選擇端A0A3。這樣當(dāng)P1.0P1.3輸出某個(gè)通道號(hào)（比 如A3A2A1A0=0001）時(shí)，CH1的正端CH1+ （即X1端）和CH（即Y1端）同時(shí)選通。選用雙端信號(hào)方式而不用單端信號(hào)方式 （此時(shí)所有通道負(fù)端全部共地）的好處在于各個(gè)通道可以相互獨(dú)立的輸出信號(hào)或接收控制信號(hào)，因而各通道所接的傳感器可 以公用一個(gè)電源。兩片CD4067的公共端X和Y分別接到模擬信號(hào)總線的正端和負(fù)端，整個(gè)從機(jī)電路用單5V電源供電，功耗 大約100mW。圖2從機(jī)單片機(jī)及其外圍電路3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主機(jī)PC與各從

17、機(jī)的通信以單片機(jī)的串行通信方式3進(jìn)行通信。方式3為波特率可變的9位數(shù)據(jù)（除1位起始位“0” 和1位停止位“ 1”之外）異步通信方式，是多機(jī)通信中用得最多的方式。PC與多AT89C2051單片機(jī)的通信軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵在 于對(duì)單片機(jī)的串行控制寄存器SCON的正確編程以及對(duì)PC串行口接口的靈活使用。當(dāng)AT89C2051工作在方式3時(shí)，傳送一幀信息共11位：1位起始位（D0=0），8位數(shù)據(jù)位（D1D8），1位可編程 位（D9）和1位停止位（D10）。其中附加的第9位D9作為“地址幀”和“數(shù)據(jù)幀”的識(shí)別標(biāo)志位。此位數(shù)據(jù)在發(fā)送端由串 行控制寄存器的TB8位產(chǎn)生，在接收端由自動(dòng)傳送到SCON的RB8位中。如果D

18、9=TB8=1，則說明此幀信息為地址，否則為數(shù) 據(jù)。串行控制寄存器SCON中有一位多機(jī)通信控制位SM2，當(dāng)SM2=1時(shí)只接收地址幀，當(dāng)SM2=0時(shí)既可接收地址幀也可接收 數(shù)據(jù)幀。當(dāng)主機(jī)PC與某從機(jī)通信時(shí)，主機(jī)首先發(fā)送命令FFH，使各從機(jī)的SM2全置1。然后發(fā)送該從機(jī)的地址m （00HFFH）， 注意地址幀的附加位D9=1，所以此時(shí)所有從機(jī)都進(jìn)行串行中斷響應(yīng)處理（入口地址：0023H）。各從機(jī)中斷響應(yīng)處理為：將 接收到的地址號(hào)m與自己的編號(hào)進(jìn)行比較，如果不相等，則不予理睬，如果相等，則置SM2=0，并且等待繼續(xù)接收將要選通 的通道號(hào)n （0HFH），再將n送到P3 口。最后主機(jī)發(fā)送通道號(hào)n，由于n作為數(shù)據(jù)幀所以此時(shí)置D9=TB8=0