組態(tài)王與單片機(jī)多機(jī)串口通信的設(shè)計(jì)

1 引言
??? 隨著工業(yè)化要求提高，分布式系統(tǒng)發(fā)展以及控制設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備之間通訊需要，組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)逐步普及。現(xiàn)在組態(tài)軟件繁多，比如KingVieW(組態(tài)王)、MCGS、WinCC等。KingView軟件基于Microsoft Windows XP，NT／2000操作系統(tǒng)．具有友好的人機(jī)操作界面、強(qiáng)大的IO設(shè)備端口驅(qū)動能力，可與各種PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等實(shí)時通訊。由于在檢測大量模擬量的工業(yè)現(xiàn)場使用PLC與組態(tài)軟件通訊勢必增加產(chǎn)品成本。而單片機(jī)接口豐富，與A／D轉(zhuǎn)換模塊組合可以完成相同的工作，并且系統(tǒng)可靠、成本低。

2 組態(tài)王與單片機(jī)的串口通訊方法
??? 目前，組態(tài)王與單片機(jī)的通信多是通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)或通過自己開發(fā)通訊驅(qū)動程序完成。DDE是Windows平臺上的一個完整的通信協(xié)議，組態(tài)王通過該協(xié)議與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。但不可靠和非實(shí)時。而自己開發(fā)通訊驅(qū)動程序會帶來設(shè)計(jì)困難，增加系統(tǒng)開發(fā)周期，可行性不高。組態(tài)王專門提供一種與單片機(jī)多機(jī)串口通信方法，可滿足大多數(shù)系統(tǒng)需求。

3 PC機(jī)與單片機(jī)的硬件接口電路
??? 圖1為上位PC機(jī)與下位單片機(jī)80C51的連接電路。PC機(jī)與單片機(jī)本身都自帶串行通訊接口，但由于在分布式系統(tǒng)中PC機(jī)與各單片機(jī)的分布不集中，不能利用RS-232通訊傳輸，只能改用RS-485。RS-485采用差分式傳輸信號，最大傳輸距離為1 219 m．最大傳輸速率為10 Mb／s．對同時出現(xiàn)的兩條信號線A、B的干擾有較強(qiáng)的抑制能力。當(dāng)兩條線絞在一起時，被通信各種分布參數(shù)耦合過來的干擾信號可平均地分配到這兩條線上，因此對RS-485的差分式傳輸線路而言，用雙絞線可獲得較強(qiáng)的抗干擾能力。RS-485采用二線與四線平衡傳輸方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信，但需要在傳輸線上接電阻(約120 Ω)。

??? 由于80C51系列單片機(jī)STC89C52串行接口的，TTL電氣特性與RS-485電氣特性不相符，STC89C52不能與RS-485直接連接，需要電氣轉(zhuǎn)換。這里采用Maxim公司的MAX485，圖2為其接口電路。

??? 圖2中，MAX485的RE和DE南STC89C52單片機(jī)的P1．7控制。由于MAX485以半雙工的方式工作，因此由P1．7控制其發(fā)送與接收。當(dāng) P1．7為高電平時，驅(qū)動器使能而接收器為高阻態(tài)，此時可發(fā)送數(shù)據(jù)；而當(dāng)P1．7為低電平時．接收器使能而驅(qū)動器為高阻態(tài)，此時接收數(shù)據(jù)。另外由于PC機(jī)的COM口是基于RS-232的串行通訊口．其電氣特性與RS-485不一致，因此也需電平轉(zhuǎn)換。

??? 圖3為單片機(jī)地址設(shè)置電路，單片機(jī)STC89C52的P1口的低4位用于設(shè)定本機(jī)地址，通過4位DIP開關(guān)的組合最多可設(shè)定16種地址。如當(dāng)4位開關(guān)全部斷開時，對應(yīng)的本機(jī)地址是11 11。下位單片機(jī)在開始工作前需先設(shè)定自己的地址，這樣，在開機(jī)自檢時下位單機(jī)片就能獲取本機(jī)地址。

4 系統(tǒng)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)
??? 組態(tài)王提供了通過PC機(jī)與單片機(jī)串口進(jìn)行十六進(jìn)制數(shù)據(jù)通訊的驅(qū)動，而驅(qū)動中已經(jīng)規(guī)定好其通訊協(xié)議。

4．1 通訊參數(shù)
??? 通訊參數(shù)包括數(shù)據(jù)位、停止位、波特率、校驗(yàn)方式。其中，數(shù)據(jù)位、停止位、波特率由單片機(jī)決定。組態(tài)王中的設(shè)定和單片機(jī)一致即可。校驗(yàn)方式參照“數(shù)據(jù)傳輸格式”部分。
4．2 數(shù)據(jù)傳輸格式與協(xié)議說明
??? 格式1 組態(tài)王發(fā)送地址請求格式(檢驗(yàn)位為1)：

??
??? 格式2單片機(jī)應(yīng)答地址格式(檢驗(yàn)位為0)：

???

??? 格式3組態(tài)王讀數(shù)據(jù)請求格式(檢驗(yàn)位為0)：

??
??? 格式4單片機(jī)應(yīng)答讀數(shù)據(jù)格式(正確)(檢驗(yàn)位為O)：

???
??? 格式5單片機(jī)應(yīng)答讀數(shù)據(jù)格式(錯誤)(檢驗(yàn)位為0)：

???
??? 格式6組態(tài)王寫數(shù)據(jù)請求格式(檢驗(yàn)位為O)：

???
??? 格式7單片機(jī)應(yīng)答寫數(shù)據(jù)格式(正確)(檢驗(yàn)位為0)：

??
協(xié)議具體說明如下：
ENQ(頭)：H05，詢問，請求幀的開始代碼；
ACK(頭)：H06，確認(rèn)，ACK應(yīng)答幀的開始代碼；
NAK(頭)：H15，否認(rèn)，NAK應(yīng)答幀的開始代碼；
EOT(尾)：H04，正文的結(jié)束，請求幀的結(jié)束ASCII代碼；
ETX(尾)：H03，結(jié)束正文，應(yīng)答幀的結(jié)束ASCII代碼；
數(shù)據(jù)傳輸：所有數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制數(shù)；

Sta：設(shè)備地址，1個字節(jié)，組態(tài)王設(shè)備地址范圍為0～255，此地址為單片機(jī)的地址，由單片機(jī)中的程序決定；
R：讀標(biāo)志，1個字節(jié)(0x52)；
W：寫標(biāo)志，1個字節(jié)(0x57)；
DataType：需要交換的數(shù)據(jù)類型，1字節(jié)。其中“1”代表字節(jié)，“2”代表字，“3”代表浮點(diǎn)型；
DataNum：讀取數(shù)據(jù)的個數(shù)，1字節(jié)；
DataAddr：數(shù)據(jù)偏移地址，2字節(jié)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后；
Data：實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后；
DataLong：單片機(jī)返回Data的字節(jié)數(shù)，2字節(jié)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后：
CRC：為從第1個字節(jié)至CRC前的所有字節(jié)的異或值，1字節(jié)；
ErrorCode：錯誤代碼，“0”代表正確應(yīng)答，“1”代表數(shù)據(jù)類型錯誤，“2”代表數(shù)據(jù)范圍超限，“3”代表指令無法識別。

5 單片機(jī)通訊程序流程設(shè)計(jì)
??? 圖4為組態(tài)王程序流程，圖5為單片機(jī)通訊程序流程。80C51系列單片機(jī)多機(jī)通訊可歸納如下：

??? 上位機(jī)的SM2=0，所有下位機(jī)的SM2=1，以便只接收上位機(jī)發(fā)來的地址；
??? 上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送地址時，第9數(shù)據(jù)位應(yīng)該為1，以指示下位機(jī)接收這個地址；
??? 所有下位機(jī)在SM2=1，RB8=1和RI=0時，接收上位機(jī)發(fā)來的地址，進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，并與本機(jī)地址相比較，以確認(rèn)是否為被尋址的下位機(jī)；
??? 被尋址下位機(jī)通過指令清除SM2，以便正常接收上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并向上位機(jī)發(fā)回接收到的地址以便核實(shí)。未被尋址的下位機(jī)保持SM2=1，并退出各自的中斷服務(wù)程序；
??? 完成上位機(jī)和被尋址下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信后，被尋址從機(jī)使SM2=1，并退出中斷服務(wù)程序，等待下次通信。

6 結(jié)束語
??? 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)組態(tài)王軟件與單片機(jī)多機(jī)的實(shí)時通信，已經(jīng)在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用。應(yīng)用的結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法簡單有效，實(shí)時性好，成本低廉，可以在控制與監(jiān)控系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。