单片机多主机通信网络的设计与应用 |
| 2013-01-30 16:08 作者：甄 华 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，研究传统的单片机通信网络之中各个从机之间直接通信无法完成，而且实时性不足，对主机时间的浪费较多。基于此提出一种基于单片机以及RS485总线技术的多主机通信系统的设计，从而解决上述多主机通信网络存在的问题。
关键词：单片机；多主机通信；网络；RS485
从当前来看，基于单片机的网络控制系统已经成为了网络系统发展的一个主要趋势，并且在小区、银行、商场等安防系统之中得到了广泛的应用。在这种系统之中，每一个终端设备都是由单片机构成的，这些终端设备与上位机之间的双向通信的实现则是通过传送终端设备在现场采集的数据信号，然后接受上位机的各种控制。由于某些场合或者部门的重要性（比如，银行）对于网络系统的实时性以及从机通信都提出了一定的要求。传统的基于单片机的多主机通信系统已经无法满足实际需要，因此需要构建一个全新的网络模式，从而使得各个终端都成为和足迹，实现多主机之间的通信交流，使得任何一个终端都可以向该网络系统之中的其他终端设备发送数据或者指令，并且也能够接受或者回应来自于其他终端的数据或者指令。从这个角度来看，文章的研究具有非常重要的现实意义。
1传统单片机通信网络的基本构成
网络社会化和社会网络化已经成为目前信息化建设的排头兵。作为中国社会网络的支柱之一，有线电视网络正以蓬勃的势头从传统的电缆传输发展到今天的光缆传输；从单向的有线电视网发展到双向的宽带HFC交互式网络；既作为一个信息量大、传输速度快、传输质量高、普及面广的现代化大众媒体，又作为一个集电视节目。话音、计算机信息于一体的新角色，为社会各界提供多方位的服务。
1.1传统单片机通信系统的结构
传统的单片机网络通信系统是由主机和多个从机共同构成的，但是这种模式并没有考虑现场总线的问题，因此在实际中的使用效果不佳。但是，在单片机的通信过程中，现场总线一般是要通过RS422总线来实现全双工通信的，在如下图所示的结构之中，就是一种较为典型的传统单片机通信网络系统：
图1传统单片机通信系统结构示意图
1.2传统单片机通信系统的不足
在该系统之中，由于采用的是主机和从机的结构，就算是实现了全双工通信，这种通信也只能够是在主机和从机之间实现，从机与从机之间是无法实现直接通信的，而只能够借助于主机来完成。在这种情况之下，主机的通信压力提升，而且处理效率下降，必然导致通信的实时性受损。在从机向主机发送信息的过程中，需要采用主机轮询模式，也就是主机轮流循环询问各个从机，只有从机需要向主机发送数据的时候，才回复应答，此时才能够向主机发送数据。在从机没有数据发送的时候，也需要回复应答没有数据发送。这就使得处理效率进一步下降，不管有无任务，有无数据，都需要询问之后才能够进入下一步，严重浪费了主机的工作实践，实时性非常差。而且，一旦某一个终端设备需要报警，而主机还没有向其询问，必然导致无法及时的发出报警信号，从而造成较大的损失。
2多主机通信系统的设计
2.1基于单片机的多主机通信系统方案设计
前文所述的传统单片机通信系统存在着无法实现从机之间的直接通信，而且主机通信效率低，实时性差。这是由于没有引入现场总线的原因，文章基于单片机的多主机通信系统方案选用的就是基于RS485现场总线技术。具体的方案设计如下图所示：
图2基于单片机的多主机通信系统方案
如上图所示，基于RS485现场总线实现的单片机多主机通信系统的各个设备终端都是主机，在通常状态之下都处于信息接收状态，只有在某个终端需要向上位机以及其他主机发送数据的时候，才转换成发送状态，向RS485现场总线发送数据。这种系统设计方案的优势在于改变了过去的主机轮流循环询问各个从机的操作流程，各个终端设备之间的通信变成了按需发布信息或者接受信息，从而减少了单个主机的负荷，提升了系统的实时性。在终端设备需要报警的时候，能够及时的报警，并产生其他的一系列的连锁动作。但是，在该方案之下，需要解决一个重要的问题就是通信协议的解决问题。
2.2硬件选型
本方案的关键硬件为PLC，文章选择西门子PLCSP300以及三菱PLCFX2N。上位机采用的是西门子PLCSP300，西门子PLCSP300用于对过程处理能力和响应时间要求很高的应用。通过其工作存储器，该PLC也适用于中等规模的应用。该PLC的微处理器每条二进制指令执行时间约100ns，每条浮点数运行指令约3µs，具有96KB高速RAM（相当于大约32K的指令）用于执行相关的程序部分，为用户程序提供充分的空间；微存储卡（最大8MB）作为程序的装载存储器，也允许在CPU中保存项目；拥有多达4排结构的32个模块；内置MPI接口可以最多同时建立12个与S7-300/400或与PG、PC、OP的连接。在这些连接中，始终分别为PG和OP各保留一个连接。通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。各个设备终端主机采取用的是三菱PLCFX2N，其具有小型化、高速度以及高性能等特点，编程简单，除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。除此之外，还可根据电源及输出形式，自由选择程序容量。因此，该PLC组合能够完全满足系统功能的需求。
2.3通讯方案
本方案的通讯是基于西门子PLC以及三菱PLC自身的通讯模块，依据MODBUS协议，通过主站/主站的模式进行数据通讯。该通信是通过现场总线RS485实现的。而各个设备终端主站之间的通信则是利用三菱PLCFX2N的串口通讯模块，并且在PLC之上增加一个CP340串口通讯模块，运用主站广播模式，向各个设备终端发布查询命令通讯程序包括了信息的发送、接受、验证以及校验计算等几个部分，其基本结构如下表所示：
表1串口通讯数据结构
字节数 第1字节 第2字节 第3字节 第N字节 倒数第2字节 末字节
内容 站号 起始地址 数据长度 数据区间 CRC低位 CRC高位
文章设计的方案包括了两个PLC，因此进行通讯模块的设置时也要在两个通讯模块分别进行设置。首先，在西门子PLCS7-300中，设置工作模式为RS485，然后将串口设置为9600.8.1.None，将通讯模式选择为双工通讯，其余设置采用默认设置，完成组态编辑之后，保存设置，并将其下载到PLC站点之中。完成西门子PLC的通讯模块设置之后，继续对三菱PLCFX2N进行设置，由于三菱PLCFX2N的通讯接口型号为FX2N-485-BD，该通讯模块实际上采用的是双芯屏蔽电缆，屏蔽层介入SG，电缆的双芯分别接入的是SDA以及SDB。可以依据三菱PLCFX2N随机自带的通讯手册采用无协议通讯方式，利用MODBUS通讯协议原理自行设计具体的通讯规则。
3结语
基于单片机的通信模式具有低成本、高便捷性的特点。但是，现有的单片机通信系统在应用的过程中存在较多的缺点，关键是在于其主站/从站的通讯模式，使得各个设备终端之间无法实现直接通信，而设备终端与上位机之间的通信也只能够完全遵循主机轮流循环询问各个从机的操作流程，使得主机的负荷较高，处理效率得不到保障，同时实时性也不足。文章研究了一种基于RS485现场总线以及串口通信的多主机通信网络系统，在上位机与各个终端设备之间通过RS485现场总线进行通信，提升了通信效率，而各个设备终端之间则通过串口通讯实现相互之间的直接通信，进一步降低了上位机的工作负荷，同时也确保了通信的实时性，在功能性和效率性方面都得到了有效的保障，因此具有很好的发展前景。 |
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