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

3 系統通信協(xié)議

3.1 數據鏈路層協(xié)議

關(guān)于數據幀的定義前面已經(jīng)敘述，在這不予解釋。在多CPU的控制系統中子控制器的地址可以通過(guò)在硬件中設置一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)設置撥碼開(kāi)關(guān)的值來(lái)設置子控制器的物理地址。其網(wǎng)絡(luò )地址也就是撥碼開(kāi)關(guān)的“0”和“1”組合。在設置過(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(xún)子控制器的地址，當與某個(gè)子控制器對話(huà)的時(shí)候，其他子控制器均不作應答。

3.2 運輸層通信協(xié)議

TCP/IP運輸層有兩個(gè)主要的協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶(hù)數據報協(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幀，否則認為出錯，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。對于多CPU的控制系統來(lái)說(shuō)，其傳輸的命令和參數都是非常重要的，所以選擇類(lèi)似于TCP協(xié)議方式，建立連接和數據幀傳送過(guò)程如圖3和4所示。

由圖3所示可知，當主控制器查詢(xún)到某個(gè)子控制器時(shí)，如果子控制器有指令數據幀要發(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)出應答控制字A_M_READY；如果子控制器被主控制器查詢(xún)到?jīng)]有指令數據幀要發(fā)送給主控制器，則發(fā)送A_S_OVER，告訴主控制器無(wú)數據幀發(fā)送，主控制器退出此次連接繼續查詢(xún)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)行指令數據幀傳輸。當傳輸完一個(gè)數據幀后，接收方需要應答相應的連接控制字（如：“已接收一幀”即A_S_RECEIVED/A_M_RECEIVED），只有這樣才能繼續發(fā)送下一幀指令數據幀，否則認為發(fā)送不成功。

3.3 應用層通信協(xié)議

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

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

（2）消息：在應用層中采用WIN32操作平臺的“消息”概念來(lái)描述控制器之間的數據傳輸，其內容與指令數據幀相同。由于本地對數據處理可能很快，而數據傳輸要等待網(wǎng)絡(luò )連接建立，這樣數據本地處理和網(wǎng)絡(luò )傳輸就不能夠同步進(jìn)行，所以就必須采用緩沖機制來(lái)協(xié)調。仿照WIN32操作平臺中對消息的處理辦法，用循環(huán)隊列數據結構來(lái)緩沖消息（如圖5所示）。消息全部采用統一長(cháng)度，一般采用4個(gè)字節，隊列中每個(gè)元素為一個(gè)數組（長(cháng)度為4個(gè)字節），每個(gè)隊列中共有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)先放入消息數組中，并作為一個(gè)元素放入REAL指針所指尾部入緩沖隊列（REAL加1），進(jìn)行通信時(shí)從HEAD指針所指首部取出最先進(jìn)入隊列數據幀（HEAD加1）。同時(shí)系統對當前的消息中第一個(gè)字節（控制指令）內容進(jìn)行判斷，從而進(jìn)入相應的消息處理程序。

4 通信軟件的抗干擾措施

4.1 在協(xié)議中增加差錯控制措施

當主控制器發(fā)送呼叫幀后，如果在規定的時(shí)間內沒(méi)有收到子控制器的應答幀或沒(méi)有得到正確應答幀，則認為通信失敗。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據幀。同時(shí)采用累加校驗字段來(lái)判斷數據是否正確，通過(guò)以上措施可以有效的防止通信錯誤發(fā)生。

4.2 在軟件設計中適當增加延時(shí)

當主控制器或子控制器有一種狀態(tài)轉到另一種狀態(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(xiàn)穩定性，從而可提高數據傳輸可靠性。

5 結束語(yǔ)

由RS-485網(wǎng)絡(luò )的多CPU控制系統的特點(diǎn)，并參照ISO七層網(wǎng)絡(luò )模型和TCP/IP協(xié)議設計思想，提出了適用于該系統的四層簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )模型、各層的通信協(xié)議和數據幀的格式。在實(shí)際應用中，根據四層簡(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)際應用中效果良好、通信速度和可靠性得到大大的提高。