基于單片機(jī)的電子清紗器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3 現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)計(jì)

3.1現(xiàn)場設(shè)備層硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場設(shè)備層每臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備均由16個(gè)前級(jí)數(shù)據(jù)采集處理器(實(shí)時(shí)采集120路紗線信號(hào)，采用RS-422全雙共總線與后級(jí)單片機(jī)通信)和1個(gè)后級(jí)單片機(jī)構(gòu)成監(jiān)控裝置。為了實(shí)現(xiàn)與上位監(jiān)控層的數(shù)字通信，加入RS-485通信驅(qū)動(dòng)電路。硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場設(shè)備層硬件原理框圖

3.2現(xiàn)場設(shè)備層軟件設(shè)計(jì)

作為現(xiàn)場設(shè)備的電子清紗器是一個(gè)24小時(shí)不間斷運(yùn)行的多任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置。由于該裝置要檢測跑紗平均速度為600m/min，共120路紗線的紗線截面變化信號(hào)，使其具有很高的實(shí)時(shí)性要求;同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作控制(如對有害紗疵的切除等)以及后級(jí)單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理，顯示、統(tǒng)計(jì)等功能，又決定了該裝置的多任務(wù)性。這樣在保證原系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性的同時(shí)，加入現(xiàn)場設(shè)備層的通信軟件在編寫時(shí)就有了一定的特殊性。我們借鑒Windows編程的原理，在單片機(jī)編程中進(jìn)入消息概念，進(jìn)行基于消息的多任務(wù)機(jī)制編程。從機(jī)的監(jiān)控軟件主要流程如圖4所示(主要對通信部分說明)。

圖4 從機(jī)監(jiān)控軟件主要流程圖(左—主程序 ，右—T0中斷程序通信部分)

其中：主程序主要完成上電自檢、消息巡檢、按照消息隊(duì)列組織通信信息體、數(shù)據(jù)發(fā)送、功能鍵散轉(zhuǎn)、驗(yàn)校設(shè)備等工作。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，必須減少中斷服務(wù)的時(shí)間占用，因此在中斷程序中只做簡短的消息標(biāo)志處理和必要工作。大量的消息響應(yīng)工作則利用中斷的間隙進(jìn)行處理。

T0中斷每0.5毫秒產(chǎn)生一次，該段程序是整個(gè)從機(jī)任務(wù)的管理員，是現(xiàn)場設(shè)備程序的核心。T0主要完成總線上數(shù)據(jù)的接收和判斷、采用時(shí)間片算法完成對紗線信號(hào)采集器的通信控制、車速的采集、產(chǎn)質(zhì)量記錄等任務(wù)。值得說明的是，為了保證從機(jī)的實(shí)時(shí)性，沒有采用常規(guī)的中斷通信接收或等待查詢的接收編程方式，而是結(jié)合T0中斷時(shí)間的周期性和異步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，定時(shí)做數(shù)據(jù)接收端的掃描，完成數(shù)據(jù)的接收(這部分程序占時(shí)不應(yīng)大于60個(gè)機(jī)器周期,否則影響主程響應(yīng)的實(shí)時(shí)性);當(dāng)主程監(jiān)測到有完整數(shù)據(jù)包到來標(biāo)志后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的流向、地址以及正確性分析并置欲發(fā)送信息的裝配標(biāo)志;同樣當(dāng)主程巡檢消息隊(duì)列時(shí)發(fā)現(xiàn)信息裝備標(biāo)志后，則分析主機(jī)命令、裝備信息、建立發(fā)送標(biāo)志，并以消息的形式通知主程用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣做不僅可以提高中斷的響應(yīng)速度，又不影響數(shù)據(jù)的處理和其他任務(wù)的執(zhí)行。很好的解決了多中斷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)響應(yīng)與數(shù)據(jù)處理耗時(shí)之間的矛盾，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

由于8251 USART芯片沒有數(shù)據(jù)幀和地址幀的區(qū)分功能，也就是說總線上的所有從機(jī)必須監(jiān)聽所有在總線上的數(shù)據(jù)，這樣會(huì)由于各從機(jī)時(shí)時(shí)監(jiān)聽數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為了解決這個(gè)矛盾，我們定義了完備的通信協(xié)議，其中加入了地址碼、數(shù)據(jù)流向標(biāo)志和雙幀長等通信規(guī)約，以幫助主、從機(jī)迅速判斷數(shù)據(jù)包的流向，完整性以及是否做處理的標(biāo)志，當(dāng)從機(jī)接收到非自己的數(shù)據(jù)包或錯(cuò)包時(shí)，根據(jù)各種消息標(biāo)志快速退出通信處理過程。同時(shí)T0中的數(shù)據(jù)掃描避免了簡單利用多中斷機(jī)制在監(jiān)聽大量隨機(jī)總線數(shù)據(jù)時(shí)，頻繁的中斷對整個(gè)軟件時(shí)間片劃分的破壞，以及由于接收數(shù)據(jù)的隨機(jī)性使得查詢接收方式不可行的缺點(diǎn)，從而最大限度的保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

4 監(jiān)控層軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控層軟件作為現(xiàn)場總線系統(tǒng)監(jiān)控軟件是在Windows 2000 Sever 、Delphi 6.0 以及 SQL Sever 2000的環(huán)境下開發(fā)而成。主要由通信組態(tài)模塊、權(quán)限管理模塊、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊、報(bào)表管理模塊、現(xiàn)場LED條屏顯示管理模塊、Intranet/Internet接入模塊(預(yù)留模塊)六部分組成。由于這類監(jiān)控軟件編制方法趨于成熟規(guī)范，在此僅在建立該現(xiàn)場總線系統(tǒng)軟件參考模型的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)組織的核心模塊——通信組態(tài)模塊的一些特殊處理加以說明。

眾所周知，現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線，且各具特色;同時(shí)我們也看到不同的現(xiàn)場總線有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域，尚不存在一種能解決所有工業(yè)問題的現(xiàn)場總線;即便是同一類型產(chǎn)品，也存在著用不同的現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)的可能性;同時(shí)多種現(xiàn)場總線集成在一個(gè)系統(tǒng)中，讓不同的總線充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢可以更好地共同完成控制任務(wù)。因此，在工業(yè)系統(tǒng)中必然會(huì)出現(xiàn)多種現(xiàn)場總線并存的局面。這就為監(jiān)控層系統(tǒng)軟件對多種現(xiàn)場總線的兼容性、擴(kuò)充性提出了更高的要求。為了適應(yīng)這樣的發(fā)展趨勢，我們在系統(tǒng)軟件(監(jiān)控層軟件)設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)造如下的參考模型，一定程度上解決了多種現(xiàn)場總線并存于一個(gè)系統(tǒng)的問題，使系統(tǒng)軟件具有了較好的可擴(kuò)展性。目前，該系統(tǒng)軟件主要是針對在紡織企業(yè)中廣泛使用的普通絡(luò)筒系列電子清紗器(RS-485現(xiàn)場總線，自定協(xié)議)設(shè)計(jì);考慮行業(yè)發(fā)展方向，軟件同時(shí)對自動(dòng)絡(luò)筒系列的電子清紗器(CAN現(xiàn)場總線)以及其他現(xiàn)場總線協(xié)議設(shè)備具有良好的兼容性。