基于RS422A現(xiàn)場(chǎng)總線的溫控網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是為改善RS-232C標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)平衡驅(qū)動(dòng)和接收傳輸線標(biāo)準(zhǔn)接口 ,它以全雙工方式通信 ,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) （最大傳輸距離為 1200m） ,傳輸速率快 （ 1200m時(shí)為 100kbit/s）等優(yōu)點(diǎn) ,相對(duì)于其它總線，如FF、CAN、LonWorks等而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、安裝方便、與傳統(tǒng)的DCS兼容等特點(diǎn);此外，市場(chǎng)上很多現(xiàn)場(chǎng)儀表都有RS422A總線接口，因此采用該總線可以很容易地開(kāi)發(fā)一些中小型網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)。結(jié)合某一工程項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn) ,我們采用了RS422A通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

　　在該工程項(xiàng)目中，系統(tǒng)采用兩級(jí)主從總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。溫度等變量的控制主要由總線上的各個(gè)智能儀表實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)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(xiàng)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(dāng)復(fù)雜，具有較強(qiáng)的控制以及通信功能。同時(shí)，利用上位機(jī)軟硬件資源豐富，以Windows為操作平臺(tái)，因此開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件有強(qiáng)大的管理功能以及非常友好的人機(jī)界面。本系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用Microsoft Visual C++6.0開(kāi)發(fā)，充分利用VC++靈活快速，對(duì)視窗編程和多任務(wù)編程的方便接口，開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件具有完善的數(shù)據(jù)采集、設(shè)定、報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)視等功能。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度控制系統(tǒng)的監(jiān)控，效果良好。

二. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(dá)一百多條，上傳及接受數(shù)據(jù)量大，主要包括各步溫度設(shè)定值、PID參數(shù)值、報(bào)警參數(shù)值、傳感器修正值、模糊控制參數(shù)值等等。現(xiàn)場(chǎng)總線采用RS422A總線，因?yàn)镽S422A總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。智能儀表掛接在RS422A總線上，通過(guò)RS422A/232C裝換器和PC串口相連接。為此配置有十幾臺(tái)（可擴(kuò)展）智能儀表，RS422A/232C轉(zhuǎn)換器一塊，并且每一臺(tái)儀表設(shè)置唯一的地址。溫度的控制由下位機(jī)（智能儀表）完成。主控計(jì)算機(jī)完成的功能有1）主動(dòng)讀取下位機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)2）改變溫度控制的設(shè)定值以及其它的參數(shù)，但不直接完成對(duì)溫度的控制。3）顯示溫控曲線畫(huà)面,溫控儀集中顯示畫(huà)面以及報(bào)警數(shù)據(jù)等的動(dòng)態(tài)顯示。4）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),統(tǒng)計(jì),報(bào)表等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

三. 通信協(xié)議

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

　　發(fā)送器與接收器均以差分方式工作 ,每個(gè)信號(hào)用兩根導(dǎo)線傳輸 ,信號(hào)的電平由兩根導(dǎo)線上的信號(hào)的差值來(lái)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(yàn)，1個(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)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(duì)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(luò)層 由PC機(jī)實(shí)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(jī)以廣播的形式發(fā)出，用于喚醒總線上的某臺(tái)儀表，握手請(qǐng)求與之建立通信關(guān)系，然后相應(yīng)的儀表向控制PC機(jī)回傳本機(jī)地址，則握手成功;否則儀表向PC機(jī)回傳否定應(yīng)答。當(dāng)PC機(jī)要和目前通信的儀表以外的其他儀表通信時(shí)，必須首先放棄目前的通信關(guān)系，發(fā)送放棄通信命令幀。然后再?gòu)男掳凑丈鲜龇绞浇⑦B接。建立連接,放棄連接以及溫控儀的應(yīng)答格式如下所示:

　　其中ENQ pEOT pACK 為控制碼 結(jié)束碼表示一幀的結(jié)束

　　4）應(yīng)用層 工業(yè)智能儀表的RS422A總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用層，是對(duì)控制PC機(jī)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(jìn)行定義。

四. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)管理軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，基于Windows2000平臺(tái)，用VC++6.0編程開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)應(yīng)用軟件由實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程和歷史記錄瀏覽兩大部分組成，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程包括數(shù)據(jù)采集及設(shè)定、運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)管理三大模塊組成，數(shù)據(jù)采集及設(shè)定模塊定時(shí)從下位機(jī)即智能儀表采集和設(shè)定過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？刂颇K主要是控制儀表的運(yùn)行或停止等以及運(yùn)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(bào)警、打印、存儲(chǔ)等功能。

　　根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征，監(jiān)控軟件中多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，為了不讓一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)候，阻塞別的任務(wù)，我們充分里了Windows系統(tǒng)允許多進(jìn)程、多線程編程的特點(diǎn)，將系統(tǒng)的分成幾個(gè)模塊。首先，將歷史紀(jì)錄瀏覽和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程分成兩個(gè)進(jìn)程，因?yàn)檫@兩個(gè)過(guò)程有很大的差別。歷史紀(jì)錄瀏覽中的數(shù)據(jù)是靜態(tài)的，對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有要求，而且可以在生產(chǎn)過(guò)程之中或之后運(yùn)行都可以，在開(kāi)發(fā)這部分程序時(shí)，可以不用考慮時(shí)間的問(wèn)題。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程卻是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求很高的任務(wù)，在這個(gè)過(guò)程中主要要完成通信、顯示、控制、打印等任務(wù)，另外還要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

　?。?） 動(dòng)態(tài)進(jìn)程設(shè)計(jì)

　　線程一詞指程序指令順序的執(zhí)行，每個(gè)程序獨(dú)立執(zhí)行程序代碼中的一系列指令。從用戶或應(yīng)用程序編程的角度看，程序中的線程是同時(shí)運(yùn)行的。操作系統(tǒng)通?？烤€程與線承建的快速切換控制來(lái)達(dá)到這種同時(shí)的感覺(jué)（但如果計(jì)算機(jī)有多個(gè)處理器，則系統(tǒng)可以直接同時(shí)執(zhí)行線程）。程需要在某個(gè)時(shí)間完成多個(gè)任務(wù)時(shí)（許多引用程序都是這樣），將每個(gè)任務(wù)放在不同的線程中不僅使程序更加有效，而且能簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工作。

　　在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)程時(shí)我們把它分成了兩個(gè)線程：主線程和通信線程。主線程定時(shí)啟動(dòng)通信線程，通信線程執(zhí)行完一次通信任務(wù)后自動(dòng)懸掛。在正常情況下，主線程兩次恢復(fù)通信線程之間的時(shí)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(chǔ)方面，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，要求能快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，我們將數(shù)據(jù)存放在兩個(gè)地方。正在進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程的過(guò)程數(shù)據(jù)首先存放在內(nèi)存開(kāi)辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，這樣主線程能很快的訪問(wèn)到。另外，將幾次通信的數(shù)據(jù)定期存放到硬盤(pán)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(shè)計(jì)時(shí)我們采用了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的思想，比如我們把溫控儀看成一個(gè)對(duì)象，有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作完全封裝在一個(gè)類(lèi)里面，這樣程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分離也可以實(shí)現(xiàn)分離，這對(duì)于軟件的擴(kuò)展，對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試都會(huì)帶來(lái)極大的方便。