基于RS-485總線多CPU控制系統(tǒng)簡化網(wǎng)絡模型及其通訊協(xié)議
分布式控制系統(tǒng)是基本的控制結構形式。實現(xiàn)分布式控制,多采用主從式微機網(wǎng)絡形式。隨著現(xiàn)代控制系統(tǒng)結構越來越復雜,控制系統(tǒng)大多數(shù)基于主從站節(jié)點建構遠距離通信網(wǎng)絡。由于RS-485總線性能優(yōu)異、結構簡單、組網(wǎng)容易,得到廣泛的應用。
本項目參照OSI網(wǎng)絡參考模型和TCP/IP(傳輸控制/網(wǎng)間)協(xié)議的設計思想,設計相對簡化且適用于基于RS-485總線的多CPU控制系統(tǒng)的簡化網(wǎng)絡模型和通信協(xié)議。
2 RS-485簡化網(wǎng)絡模型的總體設計
2.1 總體設計
控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡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方式。子控制器之間不能通信,只有通過主控制器作間接通信。主控制器和子控制器之間數(shù)據(jù)交換過程為一問一答方式,該種方式可以防止多個子控制器之間無次序通信,從而避免擾亂整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。
2.2 OSI七層模型的簡化
OSI參考模型是國際標準化組織(ISO)制定的一種開放式互聯(lián)的基準模型,其包含七層參考模型,分別為:應用層、表示層、會話層、運輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。而TCP/IP實質(zhì)只有三層,即應用層、運輸層和網(wǎng)絡層。由于網(wǎng)絡接口層框架內(nèi)容空泛,所以綜合OSI和TCP/IP的特點,可以簡化為五層模型。然而從網(wǎng)絡硬件和成本上考慮運用OSI的七層模型或五層模型,是不現(xiàn)實的。根據(jù)TCP/IP協(xié)議和OSI分層的思想,在實際應用中可采用進一步簡化的網(wǎng)絡模型即四層模型。該四層模型各層分別為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、運輸層和應用層。簡化的四層模型如圖1所示。
2.3 簡化模型的結構定義
(1)物理層:采用EIA RS-485電氣標準,節(jié)點通信接口采用MAX485完成電平轉化,波特率為9600bps,主從式總線網(wǎng)絡結構。
(2)數(shù)據(jù)鏈路層:定義各CPU控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕編袷剑瑤吔缱R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,各CPU之間數(shù)據(jù)可靠連接和傳輸,檢測傳輸中出現(xiàn)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(shù)據(jù)和接口,定義解釋網(wǎng)絡數(shù)據(jù)協(xié)議。將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)解釋成控制軟件能夠使用的各種控制命令或?qū)⒖刂泼罘庋b成符合網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
2.4 簡化網(wǎng)絡模型中幀封裝格式
(1)指令數(shù)據(jù)幀格式:對于多CPU控制系統(tǒng)來說,一般指令由“目的+內(nèi)容”組成?!澳康摹睘橹噶钏獙崿F(xiàn)的功能,“內(nèi)容”為要實現(xiàn)目的所要的數(shù)據(jù)。所以必須要為整個網(wǎng)絡定義一個統(tǒng)一的幀格式,其如圖2所示。
系統(tǒng)控制指令用1個字節(jié)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(shù)據(jù)其可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率,但由系統(tǒng)實際需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度來說,用2個字節(jié)的幀數(shù)據(jù)較為合適。累加和校驗將前面的3字節(jié)(24位)的“0”和“1”全部相加,取和的最低字節(jié)(1字節(jié))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(tǒng)通信采用主從通信方式。其主控制器與子控制器之間數(shù)據(jù)交換一一對應即可以用子控制器的地址作為查詢碼,當主控制器用某個子控制器地址查詢且有正確回答時,其才能建立連接。同時主控制器和子控制器之間采用一問一答方式傳送數(shù)據(jù)幀,這樣可以明確區(qū)分幀數(shù)據(jù)來源和目的。
(2)連接控制字:本系統(tǒng)采用一個字節(jié)的連接控制字,其通過一問一答的方式建立連接。但連接控制字包括地址查詢字和連接狀態(tài)字。為了區(qū)分兩種控制字,其可以劃分范圍為:00H~79H為地址查詢字,80H~FFH為連接狀態(tài)控制字。
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