基于RS-485總線多CPU控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型及其通訊協(xié)議

3 系統(tǒng)通信協(xié)議

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

關(guān)于數(shù)據(jù)幀的定義前面已經(jīng)敘述，在這不予解釋。在多CPU的控制系統(tǒng)中子控制器的地址可以通過(guò)在硬件中設(shè)置一個(gè)撥碼開關(guān)，通過(guò)設(shè)置撥碼開關(guān)的值來(lái)設(shè)置子控制器的物理地址。其網(wǎng)絡(luò)地址也就是撥碼開關(guān)的“0”和“1”組合。在設(shè)置過(guò)程中其地址分配為：00H為主控制器，01H～FFH為子控制器。主控制器依次查詢子控制器的地址，當(dāng)與某個(gè)子控制器對(duì)話的時(shí)候，其他子控制器均不作應(yīng)答。

3.2 運(yùn)輸層通信協(xié)議

TCP/IP運(yùn)輸層有兩個(gè)主要的協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議即發(fā)送方每發(fā)出一幀，接受方總要等待確認(rèn)幀，否則認(rèn)為出錯(cuò)，因而該方式是一種可靠的通信方式。而UDP協(xié)議是無(wú)連接的協(xié)議，其發(fā)送方總是認(rèn)為接收方接收正確，從而無(wú)需等待。這種協(xié)議雖然發(fā)送過(guò)程簡(jiǎn)單，但其可靠性不高。對(duì)于多CPU的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其傳輸?shù)拿詈蛥?shù)都是非常重要的，所以選擇類似于TCP協(xié)議方式，建立連接和數(shù)據(jù)幀傳送過(guò)程如圖3和4所示。

由圖3所示可知，當(dāng)主控制器查詢到某個(gè)子控制器時(shí)，如果子控制器有指令數(shù)據(jù)幀要發(fā)送給主控制器則子控制器發(fā)送A_S_HAVE，主控制器收到后發(fā)出應(yīng)答控制字A_M_READY；如果子控制器被主控制器查詢到?jīng)]有指令數(shù)據(jù)幀要發(fā)送給主控制器，則發(fā)送A_S_OVER，告訴主控制器無(wú)數(shù)據(jù)幀發(fā)送，主控制器退出此次連接繼續(xù)查詢下一個(gè)子控制器。

由圖4所示可知，通信連接建立以后主控制器和子控制器之間可以進(jìn)行指令數(shù)據(jù)幀傳輸。當(dāng)傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，接收方需要應(yīng)答相應(yīng)的連接控制字（如：“已接收一幀”即A_S_RECEIVED/A_M_RECEIVED），只有這樣才能繼續(xù)發(fā)送下一幀指令數(shù)據(jù)幀，否則認(rèn)為發(fā)送不成功。

3.3 應(yīng)用層通信協(xié)議

應(yīng)用層是四層簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型中最頂層，其主要關(guān)心具體要發(fā)送什么數(shù)據(jù)和接收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行后續(xù)的操作等，而數(shù)據(jù)傳輸由應(yīng)用層以下的層完成。應(yīng)用層主要包含以下幾點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)格式：在多CPU控制系統(tǒng)中采用兩種格式的數(shù)據(jù)。一是本地使用的數(shù)據(jù)，為了編程方便和直觀，采用ASCⅡ碼來(lái)表示。二是網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)，為了使通信程序高效、簡(jiǎn)潔，采用壓縮BCD碼。通過(guò)這兩種格式數(shù)據(jù)大大提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

（2）消息：在應(yīng)用層中采用WIN32操作平臺(tái)的“消息”概念來(lái)描述控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，其內(nèi)容與指令數(shù)據(jù)幀相同。由于本地對(duì)數(shù)據(jù)處理可能很快，而數(shù)據(jù)傳輸要等待網(wǎng)絡(luò)連接建立，這樣數(shù)據(jù)本地處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸就不能夠同步進(jìn)行，所以就必須采用緩沖機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)。仿照WIN32操作平臺(tái)中對(duì)消息的處理辦法，用循環(huán)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)緩沖消息（如圖5所示）。消息全部采用統(tǒng)一長(zhǎng)度，一般采用4個(gè)字節(jié)，隊(duì)列中每個(gè)元素為一個(gè)數(shù)組（長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)），每個(gè)隊(duì)列中共有5個(gè)元素，采用先進(jìn)先出（FIFO）原則,并且循環(huán)使用。生成或收到的消息時(shí)先放入消息數(shù)組中，并作為一個(gè)元素放入REAL指針?biāo)肝膊咳刖彌_隊(duì)列（REAL加1），進(jìn)行通信時(shí)從HEAD指針?biāo)甘撞咳〕鲎钕冗M(jìn)入隊(duì)列數(shù)據(jù)幀（HEAD加1）。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前的消息中第一個(gè)字節(jié)（控制指令）內(nèi)容進(jìn)行判斷，從而進(jìn)入相應(yīng)的消息處理程序。

4 通信軟件的抗干擾措施

4.1 在協(xié)議中增加差錯(cuò)控制措施

當(dāng)主控制器發(fā)送呼叫幀后，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到子控制器的應(yīng)答幀或沒(méi)有得到正確應(yīng)答幀，則認(rèn)為通信失敗。只有等到下次再與該子控制器建立連接時(shí)，重新完成上次未交換的數(shù)據(jù)幀。同時(shí)采用累加校驗(yàn)字段來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否正確，通過(guò)以上措施可以有效的防止通信錯(cuò)誤發(fā)生。

4.2 在軟件設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加延時(shí)

當(dāng)主控制器或子控制器有一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)時(shí)，插入一定延時(shí)（一般為幾十毫秒），其可以大大提高總線穩(wěn)定性，從而可提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

由RS-485網(wǎng)絡(luò)的多CPU控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，并參照ISO七層網(wǎng)絡(luò)模型和TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)思想，提出了適用于該系統(tǒng)的四層簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型、各層的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)幀的格式。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)四層簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型及其通信協(xié)議編制的通信軟件在實(shí)際應(yīng)用中效果良好、通信速度和可靠性得到大大的提高。