基于RS-485總線多CPU控制系統(tǒng)簡化網(wǎng)絡(luò)模型及其通訊協(xié)議

3 系統(tǒng)通信協(xié)議

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

關(guān)于數(shù)據(jù)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(tǒng)中子控制器的地址可以通過在硬件中設(shè)置一個撥碼開關(guān)，通過設(shè)置撥碼開關(guān)的值來設(shè)置子控制器的物理地址。其網(wǎng)絡(luò)地址也就是撥碼開關(guān)的“0”和“1”組合。在設(shè)置過程中其地址分配為：00H為主控制器，01H～FFH為子控制器。主控制器依次查詢子控制器的地址，當與某個子控制器對話的時候，其他子控制器均不作應(yīng)答。

3.2 運輸層通信協(xié)議

TCP/IP運輸層有兩個主要的協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)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，從而無需等待。這種協(xié)議雖然發(fā)送過程簡單，但其可靠性不高。對于多CPU的控制系統(tǒng)來說，其傳輸?shù)拿詈蛥?shù)都是非常重要的，所以選擇類似于TCP協(xié)議方式，建立連接和數(shù)據(jù)幀傳送過程如圖3和4所示。

由圖3所示可知，當主控制器查詢到某個子控制器時，如果子控制器有指令數(shù)據(jù)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(yīng)答控制字A_M_READY；如果子控制器被主控制器查詢到?jīng)]有指令數(shù)據(jù)幀要發(fā)送給主控制器，則發(fā)送A_S_OVER，告訴主控制器無數(shù)據(jù)幀發(fā)送，主控制器退出此次連接繼續(xù)查詢下一個子控制器。

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行指令數(shù)據(jù)幀傳輸。當傳輸完一個數(shù)據(jù)幀后，接收方需要應(yīng)答相應(yīng)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(xù)發(fā)送下一幀指令數(shù)據(jù)幀，否則認為發(fā)送不成功。

3.3 應(yīng)用層通信協(xié)議

應(yīng)用層是四層簡化網(wǎng)絡(luò)模型中最頂層，其主要關(guān)心具體要發(fā)送什么數(shù)據(jù)和接收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行后續(xù)的操作等，而數(shù)據(jù)傳輸由應(yīng)用層以下的層完成。應(yīng)用層主要包含以下幾點：

（1）數(shù)據(jù)格式：在多CPU控制系統(tǒng)中采用兩種格式的數(shù)據(jù)。一是本地使用的數(shù)據(jù)，為了編程方便和直觀，采用ASCⅡ碼來表示。二是網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)，為了使通信程序高效、簡潔，采用壓縮BCD碼。通過這兩種格式數(shù)據(jù)大大提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

（2）消息：在應(yīng)用層中采用WIN32操作平臺的“消息”概念來描述控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，其內(nèi)容與指令數(shù)據(jù)幀相同。由于本地對數(shù)據(jù)處理可能很快，而數(shù)據(jù)傳輸要等待網(wǎng)絡(luò)連接建立，這樣數(shù)據(jù)本地處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸就不能夠同步進行，所以就必須采用緩沖機制來協(xié)調(diào)。仿照WIN32操作平臺中對消息的處理辦法，用循環(huán)隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來緩沖消息（如圖5所示）。消息全部采用統(tǒng)一長度，一般采用4個字節(jié)，隊列中每個元素為一個數(shù)組（長度為4個字節(jié)），每個隊列中共有5個元素，采用先進先出（FIFO）原則,并且循環(huán)使用。生成或收到的消息時先放入消息數(shù)組中，并作為一個元素放入REAL指針所指尾部入緩沖隊列（REAL加1），進行通信時從HEAD指針所指首部取出最先進入隊列數(shù)據(jù)幀（HEAD加1）。同時系統(tǒng)對當前的消息中第一個字節(jié)（控制指令）內(nèi)容進行判斷，從而進入相應(yīng)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(guī)定的時間內(nèi)沒有收到子控制器的應(yīng)答幀或沒有得到正確應(yīng)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，重新完成上次未交換的數(shù)據(jù)幀。同時采用累加校驗字段來判斷數(shù)據(jù)是否正確，通過以上措施可以有效的防止通信錯誤發(fā)生。

4.2 在軟件設(shè)計中適當增加延時

當主控制器或子控制器有一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)時，插入一定延時（一般為幾十毫秒），其可以大大提高總線穩(wěn)定性，從而可提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

5 結(jié)束語

由RS-485網(wǎng)絡(luò)的多CPU控制系統(tǒng)的特點，并參照ISO七層網(wǎng)絡(luò)模型和TCP/IP協(xié)議設(shè)計思想，提出了適用于該系統(tǒng)的四層簡化網(wǎng)絡(luò)模型、各層的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)幀的格式。在實際應(yīng)用中，根據(jù)四層簡化網(wǎng)絡(luò)模型及其通信協(xié)議編制的通信軟件在實際應(yīng)用中效果良好、通信速度和可靠性得到大大的提高。