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

分布式控制系統是基本的控制結構形式。實(shí)現分布式控制，多采用主從式微機網(wǎng)絡(luò )形式。隨著(zhù)現代控制系統結構越來(lái)越復雜，控制系統大多數基于主從站節點(diǎn)建構遠距離通信網(wǎng)絡(luò )。由于RS-485總線(xiàn)性能優(yōu)異、結構簡(jiǎn)單、組網(wǎng)容易，得到廣泛的應用。

本項目參照OSI網(wǎng)絡(luò )參考模型和TCP/IP（傳輸控制/網(wǎng)間）協(xié)議的設計思想，設計相對簡(jiǎn)化且適用于基于RS-485總線(xiàn)的多CPU控制系統的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )模型和通信協(xié)議。

2 RS-485簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )模型的總體設計

2.1 總體設計

控制系統的網(wǎng)絡(luò )通信采用主從式通信方式。主控制器與子控制器之間通信采用查詢(xún)方式。子控制器之間不能通信，只有通過(guò)主控制器作間接通信。主控制器和子控制器之間數據交換過(guò)程為一問(wèn)一答方式，該種方式可以防止多個(gè)子控制器之間無(wú)次序通信，從而避免擾亂整個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據傳輸。

2.2 OSI七層模型的簡(jiǎn)化

OSI參考模型是國際標準化組織（ISO）制定的一種開(kāi)放式互聯(lián)的基準模型，其包含七層參考模型，分別為：應用層、表示層、會(huì )話(huà)層、運輸層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層。而TCP/IP實(shí)質(zhì)只有三層，即應用層、運輸層和網(wǎng)絡(luò )層。由于網(wǎng)絡(luò )接口層框架內容空泛，所以綜合OSI和TCP/IP的特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化為五層模型。然而從網(wǎng)絡(luò )硬件和成本上考慮運用OSI的七層模型或五層模型，是不現實(shí)的。根據TCP/IP協(xié)議和OSI分層的思想，在實(shí)際應用中可采用進(jìn)一步簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò )模型即四層模型。該四層模型各層分別為：物理層、數據鏈路層、運輸層和應用層。簡(jiǎn)化的四層模型如圖1所示。

2.3 簡(jiǎn)化模型的結構定義

（1）物理層：采用EIA RS-485電氣標準，節點(diǎn)通信接口采用MAX485完成電平轉化，波特率為9600bps，主從式總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構。

（2）數據鏈路層：定義各CPU控制器之間數據傳輸的基本幀格式，幀邊界識別方法及其傳輸方式。

（3）運輸層:提供控制程序之間通信服務(wù)，各CPU之間數據可靠連接和傳輸，檢測傳輸中出現的錯誤、丟幀等錯誤并解決這些錯誤。

（4）應用層：利用下層提供的數據和接口，定義解釋網(wǎng)絡(luò )數據協(xié)議。將網(wǎng)絡(luò )數據解釋成控制軟件能夠使用的各種控制命令或將控制命令封裝成符合網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據。

2.4 簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )模型中幀封裝格式

（1）指令數據幀格式：對于多CPU控制系統來(lái)說(shuō)，一般指令由“目的＋內容”組成?！澳康摹睘橹噶钏獙?shí)現的功能，“內容”為要實(shí)現目的所要的數據。所以必須要為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )定義一個(gè)統一的幀格式，其如圖2所示。

系統控制指令用1個(gè)字節表示，其表示范圍為00H～FFH，共可以表示256條控制指令。如果采用短幀數據其可以提高數據傳輸效率，但由系統實(shí)際需要傳輸的數據長(cháng)度來(lái)說(shuō)，用2個(gè)字節的幀數據較為合適。累加和校驗將前面的3字節（24位）的“0”和“1”全部相加，取和的最低字節（1字節）作為校驗值。

該種幀格式?jīng)]有定義源地址和目的地址，由于該控制系統通信采用主從通信方式。其主控制器與子控制器之間數據交換一一對應即可以用子控制器的地址作為查詢(xún)碼，當主控制器用某個(gè)子控制器地址查詢(xún)且有正確回答時(shí)，其才能建立連接。同時(shí)主控制器和子控制器之間采用一問(wèn)一答方式傳送數據幀，這樣可以明確區分幀數據來(lái)源和目的。

（2）連接控制字：本系統采用一個(gè)字節的連接控制字，其通過(guò)一問(wèn)一答的方式建立連接。但連接控制字包括地址查詢(xún)字和連接狀態(tài)字。為了區分兩種控制字，其可以劃分范圍為：00H～79H為地址查詢(xún)字，80H～FFH為連接狀態(tài)控制字。