引言

一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中如果要同時(shí)檢測(cè)到控制系統(tǒng)中的各種分散的數(shù)據(jù)往往是比較困難的，而采用RS-485總線通訊與單片機(jī)組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)是一種最佳可行的方案。而多機(jī)通訊技術(shù)是組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。作者對(duì)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行大量查閱資料并進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)通訊網(wǎng)進(jìn)行了較深入的研究，最后通過舞臺(tái)燈的軟、硬件聯(lián)調(diào)和抗干擾試驗(yàn)，投入現(xiàn)場(chǎng)使用，運(yùn)行都很良好，因此，試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我們采用PC機(jī)或51單片機(jī)為主機(jī)(雙系統(tǒng)),用AT89C52作為從機(jī)模塊，選用MAX487數(shù)據(jù)通訊接口器件作為通訊接口，構(gòu)成一個(gè)以RS-485接口為通訊總線的分布式網(wǎng)絡(luò)，與主機(jī)連接的各個(gè)從機(jī)分別進(jìn)行相應(yīng)的舞臺(tái)設(shè)備的開關(guān)量控制，上升、下降等狀態(tài)切換，限位信號(hào)的處理等工作。各種數(shù)據(jù)及信號(hào)的傳輸都是通過數(shù)據(jù)通訊總線實(shí)現(xiàn)。

2 理論分析

網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行與多機(jī)聯(lián)網(wǎng)的通訊方式、通訊接口標(biāo)準(zhǔn)及多機(jī)通訊的總線競(jìng)爭(zhēng)等都是在研發(fā)中必需考慮得的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 通訊方式的選擇

本系統(tǒng)的多機(jī)通訊采用的是串行方式。串行通訊分異步和同步。由于異步通訊允許間歇通訊，對(duì)于低速通訊(如工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng))來說是理想的。眾所周知，主機(jī)上的串行工作方式有4種，方式3是9位波特率可變的異步通訊方式。此方式的第9個(gè)數(shù)據(jù)位和標(biāo)志位SM2聯(lián)合使用時(shí)具有識(shí)別地址的功能，特別實(shí)用于多機(jī)通訊。因此，本系統(tǒng)選用了串行通訊方式3。

2.2 通訊接口標(biāo)準(zhǔn)的選擇

目前廣泛使用的串行通訊接口為RS-232C。但RS-232C在分布式監(jiān)控系統(tǒng)中作為多機(jī)通訊使用有以下幾點(diǎn)不足：

1) 數(shù)據(jù)傳輸率局限于20Kbit/秒，傳輸距離局限于15米。

2)不能避免共模信號(hào)在通訊中的干擾。

3)只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊，無法用最少的信號(hào)線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊。

RS-422(全雙工)和RS-485(半雙工)串行接口總線正是為了克服上述缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-422需要兩對(duì)平衡差分信號(hào)線，而RS-485只需其中一對(duì)，對(duì)于多機(jī)連接更為便利，因此，選用了RS-485作為聯(lián)網(wǎng)的通訊是最佳選擇方案。

2.3 總線競(jìng)爭(zhēng)的解決方案

在各種分布式集中監(jiān)控系統(tǒng)中，總線型網(wǎng)絡(luò)的通信方式主要是采用主從方式，即系統(tǒng)的通信由主機(jī)(上位機(jī))控制通信的主動(dòng)權(quán)，選擇呼叫某一個(gè)從機(jī)(下位機(jī))進(jìn)行通信。這種通信方式不會(huì)產(chǎn)生總線的競(jìng)爭(zhēng)，通信協(xié)議簡(jiǎn)單可靠。主從方式的工作機(jī)制確定了它主要適用于從機(jī)有經(jīng)常性的數(shù)據(jù)需要傳送的場(chǎng)合。在本系統(tǒng)中，有突發(fā)性數(shù)據(jù)需要傳輸(如開關(guān)變位，限位信號(hào)到達(dá))，而系統(tǒng)又要求對(duì)從機(jī)的這種突發(fā)性數(shù)據(jù)進(jìn)行快速響應(yīng)，這種情況下簡(jiǎn)單的主從方式在實(shí)現(xiàn)時(shí)數(shù)據(jù)通信可能會(huì)丟失。尤其是本系統(tǒng)從機(jī)數(shù)量比較多，有時(shí)會(huì)發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)從機(jī)同時(shí)想占用總線的情況。例如，可能在某一時(shí)刻有兩個(gè)單片機(jī)監(jiān)控的限位信號(hào)同時(shí)到達(dá)，都向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生了總線競(jìng)爭(zhēng)。不同的總線形式采用了不同的解決方法。作者研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)主要采用上位機(jī)為PC機(jī)或51單片機(jī)，下位機(jī)為51單片機(jī)的形式，這也是監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的形式，并且降低了成本。以下主要就這種形式的總線，分析兩種解決多機(jī)通信中總線競(jìng)爭(zhēng)問題的方法。

圖1 解決總線競(jìng)爭(zhēng)的方案1

在圖1中，當(dāng)從機(jī)J有信息主動(dòng)發(fā)送時(shí)，將自身的主動(dòng)發(fā)送標(biāo)志位Fj置1。主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，若校驗(yàn)正確，則表示無總線競(jìng)爭(zhēng)情況，發(fā)送數(shù)據(jù)成功;若校驗(yàn)錯(cuò)誤，表明可能發(fā)生總線競(jìng)爭(zhēng)，主機(jī)查詢從機(jī)1。從機(jī)1接收到主機(jī)查詢命令后，檢驗(yàn)自身主動(dòng)發(fā)送標(biāo)志位Fj，若為0，則從機(jī)1沒有主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)依次查詢下一從機(jī);若Fj為1，表明從機(jī)曾主動(dòng)發(fā)送，要將已發(fā)數(shù)據(jù)再發(fā)送一次。主機(jī)再次接收到信號(hào)，校驗(yàn)正確后，依次查詢下一從機(jī)，直到將從機(jī)查詢完畢。

圖2 解決總線競(jìng)爭(zhēng)方案2

方案二前面步驟同方案一，不同之處是主機(jī)校驗(yàn)從機(jī)主動(dòng)所發(fā)的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確，主機(jī)回復(fù)從機(jī)，表明已正確接收;若校驗(yàn)錯(cuò)誤，主機(jī)廣播發(fā)送信號(hào)，請(qǐng)求從機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)。因?yàn)橹鳈C(jī)是廣播發(fā)送，所以各從機(jī)幾乎同時(shí)接收到請(qǐng)求信號(hào)。沒有主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的從機(jī)不返回信號(hào);而曾主動(dòng)發(fā)送的從機(jī)以接收到請(qǐng)求信號(hào)為標(biāo)志，延時(shí)j*T后(j為從機(jī)的序列號(hào))，重發(fā)數(shù)據(jù)，如圖2所示。在重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，不同的從機(jī)延時(shí)不同，使得占用總線的時(shí)間不重疊，所以不會(huì)造成總線競(jìng)爭(zhēng)。作者在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中，通過調(diào)整延時(shí)T，即便是在序列號(hào)相鄰的從機(jī)都重發(fā)數(shù)據(jù)的情況下，也不會(huì)發(fā)生沖突。而且延時(shí)T只有數(shù)十ms，整個(gè)通訊，從第一次因總線競(jìng)爭(zhēng)而造成的發(fā)送失敗，到主機(jī)接收完畢正確的重發(fā)信號(hào)，不到0.1s。從而既解決了總線競(jìng)爭(zhēng)問題，也確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，兼顧了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

當(dāng)通訊出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，在方案1中，主機(jī)遍查從機(jī)，流程簡(jiǎn)明，但主機(jī)使用查詢方式，被占用了較多資源;方案2采用了從機(jī)分時(shí)上報(bào)的方式，解放了主機(jī)的查詢工作，但因?yàn)榧尤胙訒r(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試找出延時(shí)的合理值。本系統(tǒng)為減輕主機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，應(yīng)用了方案2，但方案1在主機(jī)資源開銷不大的系統(tǒng)中，可以作為首選。

以上方案通訊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件易實(shí)現(xiàn)，能避免總線競(jìng)爭(zhēng)引發(fā)的數(shù)據(jù)丟失，特別適用于有突發(fā)性數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)亩鄼C(jī)控制系統(tǒng)中。

3 結(jié)束語

通過本項(xiàng)目的研究，作者研制了將RS-485通訊技術(shù)構(gòu)成總線通訊網(wǎng)，并運(yùn)用于多機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的方法;實(shí)現(xiàn)選擇通訊方式、通訊接口的關(guān)鍵技術(shù);給出了總線競(jìng)爭(zhēng)問題的解決方案。本系統(tǒng)投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，通訊網(wǎng)絡(luò)可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果。