主从控制系统的数据通讯

0 前言 　　现代控制系统广泛采用主从式控制结构，即采用工业控制计算机（IPC）作为主控制单元（即上位机），以单片机（MCU）构成的实时控制电路作为从动执行单元（即下位机）。主从式控制结构可以充分发挥各自的资源优势，即相互协调，又能独立地完成各部分功能。 主从式数控系统工作时，上位机应该能够可靠、畅通地将经过处理的控制指令和参数发送到下位机，以保证下位机能够准确、及时地工作。同时，上位机还应该能够收集下位机反馈的各种状态信号，进行诊断和处理。由此可见，快速准确地实现上、下位机之间的数据通讯是整个数控系统可靠、有效工作的关键。 1 系统概述 　　本文所研究的嵌入式主从数控系统的硬件构成如下：上位机由以嵌入式微型主板与触摸屏构成的平板计算机组成；下位机以PIC单片机为核心的开关量输入输出单元及模拟量输入输出单元组成。上位机主要完成系统的参数设置、控制指令和参数的下达、系统工作状态的监测等。下位机完成有关开关量信号和模拟量信号的采集，并按上位机指令和控制参数执行动作。上下位机之间的通讯采用USB通讯接口。 　　USB串行接口标准是由Microsoft、Intel、Compaq、IBM等公司共同推出。USB总线具有传输速度快、占用资源少及真正的即插即用等优点。将具有USB的接口设备用于上、下位机的通讯，大大地提高了两者的通讯速率。由于通讯速率的提高，原本由下位机完成的一些数据运算等功能，转为由上位机完成。这样，各自的资源优势得到了进一步发挥。充分提高了系统工作效率。 2 通讯协议 　　系统工作时，上、下位机之间存在大量的数据交换。由于这些数据所包含的信息类型和数据格式各不相同，为了避免上下位机通讯时出现混乱，这就要求系统有一个清晰、准确的通讯协议，来保证数据通讯能够有条不紊地进行。 　　本系统采用通用的串行接口协议（USS）。USS是西门子公司开发的通讯协议①，数据传输准确、快捷，适用于工业自动化系统。通讯的报文结构如图一所示。每条报文都是以字符STX（=02hex）开始，接着是数据字符。报文以数据块的检验符（BCC）结束。数据1.2～N的异或逻辑结果作为数据块的检验符BCC。由于数据长度固定，并且数据传送地址已知，所以省去了原协议中的长度说明字节（LGE）和地址字节（ADR）。 3 下位机工作原理 　　下位机接口电路原理如图二所示。控制核心采用Microchip公司生产的PIC16F877A型8位单片机②。通讯接口电路选用USB100通讯模块。 　　PIC系列单片机采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。　　　　USB100是完全集成化的USB接口模块，完全满足USB1.1标准，具有8位单片机总线接口，内部多达384字节的发送缓冲区和128字节的接收缓冲区，数据通讯速率最高可达8Mbit/S。性能可靠，特别适合工业控制场合。在单片机系统中，USB100通讯模块作为单片机的并行接口芯片，两者有机结合，构成了下位机的USB通讯接口。 　　下位机的程序编制使用PIC专用汇编指令集。数据发送采取定时中断发送方式。中断发送程序的流程如图三所示。数据接受采取循环接收。程序流程如图四所示。 4 上位机工作原理 　　连接上、下位机的USB端口，正确安装USB100的驱动程序。此时，上位机会增加一个虚拟端口（如串口3），此端口对应USB端口，可以完全按照串口的方式操作USB端口发送和接受数据（区别是设定通讯速率无效，USB100按默认最高速率工作）。 　　通讯程序在执行过程中是作为控制系统软件相应进程的一个线程而存在。由于Windows操作系统是一个多任务并行处理的操作系统，它对每一个线程所分配的时间是有限的。上位机的通讯程序采用了查询方式。它在该线程分配的时间内完成数据的传输。 5 结论 USB接口技术的应用，进一步解决了工业控制领域中，主从式控制系统上、下位机之间的通讯瓶颈问题。为这一通讯领域提供了一种新的思路和解决办法。 参考文献 1.SIMENS. Micromaster 440 Manual. SIMENS CO. Germany . 2000. 2.Microchip. PIC16F87X Microcontrollers Data Sheet. Micochip CO. America. 2000.