基于RS422A現(xiàn)場總線的溫控網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

一. 概述

　　RS-422A總線是EIA公布的“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”標準，這個標準是為改善RS-232C標準的電氣特性，又考慮與RS-232C兼容而制定的。RS422A是工業(yè)界廣泛使用的雙向、差動平衡驅(qū)動和接收傳輸線標準接口 ,它以全雙工方式通信 ,支持多點連接 ,允許創(chuàng)建多達 32個節(jié)點的網(wǎng)絡,具有傳輸距離遠 （最大傳輸距離為 1200m） ,傳輸速率快 （ 1200m時為 100kbit/s）等優(yōu)點 ,相對于其它總線，如FF、CAN、LonWorks等而言，具有結構簡單、成本低廉、安裝方便、與傳統(tǒng)的DCS兼容等特點;此外，市場上很多現(xiàn)場儀表都有RS422A總線接口，因此采用該總線可以很容易地開發(fā)一些中小型網(wǎng)絡測控系統(tǒng)。結合某一工程項目的實際特點 ,我們采用了RS422A通信接口來實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

　　在該工程項目中，系統(tǒng)采用兩級主從總線型網(wǎng)絡結構。溫度等變量的控制主要由總線上的各個智能儀表實現(xiàn)，上位機根據(jù)控制要求修改智能儀表的給定值等參數(shù)，以及一些數(shù)字量的監(jiān)控顯示等。該項目所選智能儀表為上海大華-千野儀表有限公司生產(chǎn)，參數(shù)相當復雜，具有較強的控制以及通信功能。同時，利用上位機軟硬件資源豐富，以Windows為操作平臺，因此開發(fā)的應用軟件有強大的管理功能以及非常友好的人機界面。本系統(tǒng)應用軟件采用Microsoft Visual C++6.0開發(fā)，充分利用VC++靈活快速，對視窗編程和多任務編程的方便接口，開發(fā)出來的軟件具有完善的數(shù)據(jù)采集、設定、報警、實時監(jiān)視等功能。應用結果表明，該系統(tǒng)有效的實現(xiàn)了對溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)控，效果良好。

二. 系統(tǒng)結構

　　該智能儀表功能較為完善，控制精度高。自帶RS422A通信卡，通信命令多達一百多條，上傳及接受數(shù)據(jù)量大，主要包括各步溫度設定值、PID參數(shù)值、報警參數(shù)值、傳感器修正值、模糊控制參數(shù)值等等。現(xiàn)場總線采用RS422A總線，因為RS422A總線具有結構簡單、成本低廉安裝方便等優(yōu)點。智能儀表掛接在RS422A總線上，通過RS422A/232C裝換器和PC串口相連接。為此配置有十幾臺（可擴展）智能儀表，RS422A/232C轉換器一塊，并且每一臺儀表設置唯一的地址。溫度的控制由下位機（智能儀表）完成。主控計算機完成的功能有1）主動讀取下位機相關數(shù)據(jù)2）改變溫度控制的設定值以及其它的參數(shù)，但不直接完成對溫度的控制。3）顯示溫控曲線畫面,溫控儀集中顯示畫面以及報警數(shù)據(jù)等的動態(tài)顯示。4）數(shù)據(jù)的存儲,統(tǒng)計,報表等。系統(tǒng)的硬件結構圖如圖1所示。

圖1

三. 通信協(xié)議

　　1） 物理層　采用平衡型標準RS422接口 ,以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在平衡型標準RS422A中,

　　發(fā)送器與接收器均以差分方式工作 ,每個信號用兩根導線傳輸 ,信號的電平由兩根導線上的信號的差值來表示。

　　2） 數(shù)據(jù)鏈路層 本系統(tǒng)采用異步串行通信方式。系統(tǒng)約定，波特率：9600bps,偶校驗，1個起始位，7個數(shù)據(jù)位，1個停止位，采用ASCII碼作為傳輸代碼?？偩€上的傳輸幀分為命令幀和數(shù)據(jù)幀。命令幀又分為為建立連接包含地址信息的地址命令幀和對已建立連接要求上傳或者下傳數(shù)據(jù)的控制命令幀。后者和數(shù)據(jù)幀的文本格式如下：

　　3）網(wǎng)絡層 由PC機實現(xiàn)該層協(xié)議的功能?？偩€上的傳輸幀中，地址命令幀是控制PC機以廣播的形式發(fā)出，用于喚醒總線上的某臺儀表，握手請求與之建立通信關系，然后相應的儀表向控制PC機回傳本機地址，則握手成功;否則儀表向PC機回傳否定應答。當PC機要和目前通信的儀表以外的其他儀表通信時，必須首先放棄目前的通信關系，發(fā)送放棄通信命令幀。然后再從新按照上述方式建立連接。建立連接,放棄連接以及溫控儀的應答格式如下所示:

　　其中ENQ pEOT pACK 為控制碼 結束碼表示一幀的結束

　　4）應用層 工業(yè)智能儀表的RS422A總線網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用層，是對控制PC機與智能儀表之間相互傳送的信息組幀，即數(shù)據(jù)格式按照一定的格式和含義進行定義。

四. 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)管理軟件采用面向?qū)ο蠹夹g，基于Windows2000平臺，用VC++6.0編程開發(fā)。系統(tǒng)應用軟件由實時動態(tài)過程和歷史記錄瀏覽兩大部分組成，實時動態(tài)過程包括數(shù)據(jù)采集及設定、運行控制、數(shù)據(jù)管理三大模塊組成，數(shù)據(jù)采集及設定模塊定時從下位機即智能儀表采集和設定過程實時數(shù)據(jù)?？刂颇K主要是控制儀表的運行或停止等以及運行段選擇，數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)顯示、報警、打印、存儲等功能。

　　根據(jù)實時系統(tǒng)的特征，監(jiān)控軟件中多個任務同時運行，為了不讓一個任務執(zhí)行的時候，阻塞別的任務，我們充分里了Windows系統(tǒng)允許多進程、多線程編程的特點，將系統(tǒng)的分成幾個模塊。首先，將歷史紀錄瀏覽和實時動態(tài)過程分成兩個進程，因為這兩個過程有很大的差別。歷史紀錄瀏覽中的數(shù)據(jù)是靜態(tài)的，對實時性沒有要求，而且可以在生產(chǎn)過程之中或之后運行都可以，在開發(fā)這部分程序時，可以不用考慮時間的問題。實時動態(tài)過程卻是一個實時性要求很高的任務，在這個過程中主要要完成通信、顯示、控制、打印等任務，另外還要完成數(shù)據(jù)的轉儲。

　　（1） 動態(tài)進程設計

　　線程一詞指程序指令順序的執(zhí)行，每個程序獨立執(zhí)行程序代碼中的一系列指令。從用戶或應用程序編程的角度看，程序中的線程是同時運行的。操作系統(tǒng)通?？烤€程與線承建的快速切換控制來達到這種同時的感覺（但如果計算機有多個處理器，則系統(tǒng)可以直接同時執(zhí)行線程）。程需要在某個時間完成多個任務時（許多引用程序都是這樣），將每個任務放在不同的線程中不僅使程序更加有效，而且能簡化開發(fā)工作。

　　在設計實時動態(tài)進程時我們把它分成了兩個線程：主線程和通信線程。主線程定時啟動通信線程，通信線程執(zhí)行完一次通信任務后自動懸掛。在正常情況下，主線程兩次恢復通信線程之間的時間是能夠保證一次通信線程的完整執(zhí)行。

　　在數(shù)據(jù)存儲方面，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，要求能快速訪問數(shù)據(jù)存儲區(qū)，我們將數(shù)據(jù)存放在兩個地方。正在進行的生產(chǎn)過程的過程數(shù)據(jù)首先存放在內(nèi)存開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，這樣主線程能很快的訪問到。另外，將幾次通信的數(shù)據(jù)定期存放到硬盤上，這樣能防止因停電等意外事故造成數(shù)據(jù)的損失。

　　在程序設計時我們采用了面向?qū)ο笤O計的思想，比如我們把溫控儀看成一個對象，有關的數(shù)據(jù)結構及其操作完全封裝在一個類里面，這樣程序的數(shù)據(jù)結構分離也可以實現(xiàn)分離，這對于軟件的擴展，對于軟件開發(fā)和調(diào)試都會帶來極大的方便。