基于令牌環(huán)網(wǎng)串行通訊的控制系統(tǒng)研究

【摘 要】本文首先介紹了什么是串行通訊，然后介紹了串口通訊可行性分析，最后介紹了令牌環(huán)網(wǎng)串行通訊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】令牌環(huán)網(wǎng)；串行通訊；控制系統(tǒng)

一、前言

令牌環(huán)網(wǎng)通訊，可以使控制系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息融合和集中控制，并有效延長(zhǎng)串行通訊的距離，提高通訊質(zhì)量。

二、串行通訊介紹

串行通訊是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間使用一根數(shù)據(jù)信號(hào)線，數(shù)據(jù)從一根數(shù)據(jù)信號(hào)線上按位進(jìn)行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本。串行通訊是基于串行口傳送數(shù)據(jù)的，串行口的本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)CPU與外圍數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（或者稱為串并轉(zhuǎn)換器），即當(dāng)數(shù)據(jù)從外圍設(shè)備輸入計(jì)算機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)格式由位（bit）轉(zhuǎn)化為字節(jié)數(shù)據(jù)；反之，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送下行數(shù)據(jù)到外圍設(shè)備時(shí)，串口又將字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位數(shù)據(jù)。

三、串口通訊可行性分析

串口通訊接口是一個(gè)兩線制異步串行接口，通常稱為通用異步收發(fā)傳輸器UART。這種通訊方式硬件實(shí)現(xiàn)容易，通訊格式簡(jiǎn)單，適合于近距離、小流量的通訊系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用這種通訊方式主要有以下幾個(gè)原因：（1）本系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)量不大，尤其是兩個(gè)PLC之間的數(shù)據(jù)量較?。唬?）通訊數(shù)據(jù)種類較多，需要一種易于控制數(shù)據(jù)格式的通訊方式，異步串口的單字節(jié)通訊方式便于軟件控制數(shù)據(jù)格式；（3）串口是一種較為常用的通訊接口，現(xiàn)有的PC機(jī)和我們所使用的PLC均有現(xiàn)成的串行口可以使用。（4）通訊距離很近，兩個(gè)PLC距離不超過30cm，到PC機(jī)的距離不超過2m。

四、令牌環(huán)網(wǎng)串行通訊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了基于令牌環(huán)網(wǎng)串行通訊的管理控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)，如1所示。整個(gè)系統(tǒng)由控制模塊，通訊模塊，顯示模塊，監(jiān)控模塊等部分組成。系統(tǒng)采用了模塊化思想，組成方式靈活，具有良好的擴(kuò)展能生?？刂葡到y(tǒng)由以計(jì)算機(jī)為核心的微處理器，輸入輸出設(shè)備及串行通訊模塊組成；節(jié)點(diǎn)設(shè)備由以PLC為核心的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，傳感器反饋系統(tǒng)，輸入輸出設(shè)備以及通訊模塊組成。

控制系統(tǒng)可以控制和監(jiān)控每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以控制和監(jiān)控該節(jié)點(diǎn)設(shè)備各部分的工作，節(jié)點(diǎn)設(shè)備與節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間以及控制系統(tǒng)與節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間通過令牌環(huán)網(wǎng)串行通訊連接構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)體系，液晶顯示屏和控制面板可及時(shí)準(zhǔn)確的反映出每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)。

2、組成部分概述

（一）、主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)采用高性能、功能強(qiáng)大、超低功耗的CS1系列PLC，該P(yáng)LC具備如下特點(diǎn)：豐富的CPU、高功能單元構(gòu)成自動(dòng)化控制和過程控制為一體的結(jié)構(gòu)化編程的中型PLC，高性能、高效率，具有友好開發(fā)環(huán)境、可擴(kuò)展性好、數(shù)據(jù)鏈接等功能強(qiáng)大，系統(tǒng)總線通信速度翻倍、數(shù)據(jù)處理期間的周期時(shí)間變化減少，提高了指令執(zhí)行速度和總體性能、能進(jìn)行在線單元更換，使用高速、高精度的靈活運(yùn)動(dòng)控制改進(jìn)機(jī)器性能，單電纜連接和靈活布線，節(jié)省的啟動(dòng)和維護(hù)時(shí)間。選用CS1系列PLC運(yùn)用于該系統(tǒng)中顯得十分必要。

（二）、顯示模塊

液晶顯示屏采用金鵬顯示屏，此型號(hào)液晶可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。提供三種控制接口，分別是8位微處理器接口，4位微處理器接口及串行接口；顯示RAM，字型產(chǎn)生器，都包含在一個(gè)芯片里面，只要一個(gè)最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。內(nèi)置2M一位中文字型ROM（CGROM）總共提供8192個(gè)中文字型。將I/O口與顯示屏連接，就可以完成各種顯示提示功能。面板顯示電路，由三個(gè)15V的燈構(gòu)成，通過繼電器控制指示燈，完成相應(yīng)狀態(tài)的顯示。

（三）、通訊模塊

控制系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間以及節(jié)點(diǎn)設(shè)備與節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間采用RS232進(jìn)行通訊連接。RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，具有以下電氣特性：數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。在TxD和RxD上：邏輯1（MARK）=-3V～-15V，邏輯0（SPACE）=+3～+15V；在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3V～+15V，信號(hào)無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）=-3V～-15V。

兩個(gè)RS-232的傳輸距離大約20米，在設(shè)計(jì)中可知，從控制系統(tǒng)到各節(jié)點(diǎn)設(shè)備通訊距離是遠(yuǎn)大于20米的，顯然我們不能使用讓節(jié)點(diǎn)設(shè)備掛在總線的方式。因此，必須采用另外的設(shè)計(jì)方法來解決通訊距離長(zhǎng)的問題。為了使通訊效果理想，該系統(tǒng)中我們將長(zhǎng)距離的通訊改變?yōu)楦骺刂葡到y(tǒng)之間一環(huán)扣一環(huán)的通訊方式，即A機(jī)發(fā)送的信號(hào)B機(jī)接收，B機(jī)發(fā)送的信號(hào)C機(jī)接收，依次這樣連接最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，然后將最后的節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送的信號(hào)送倒數(shù)第二號(hào)機(jī)，然后送上一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，此返回信號(hào)是不進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備處理器的，只是為了提高通訊電平，使得RS-232的通訊電平在回到主機(jī)時(shí)是可以滿足通訊條件的，至此整個(gè)系統(tǒng)就組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)。使用上述設(shè)計(jì)方法能有效提高通訊距離，同時(shí)又將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊模式間接變成了點(diǎn)對(duì)多的通訊模式。實(shí)踐證明此通訊設(shè)計(jì)方法可通訊100多米，通訊效果十分理想。通訊連接圖，如圖2所示。

（四）、監(jiān)控設(shè)備

監(jiān)控設(shè)備采用歐姆龍公司的接近開關(guān)和傳感器等監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作情況，通過程序可以啟動(dòng)設(shè)備，由此控制各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的傳感器、接近開關(guān)等。通過傳感器和接近開關(guān)就可以檢測(cè)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)，通過定時(shí)器監(jiān)控工作時(shí)間是否超時(shí)，同時(shí)利用程序內(nèi)部的看門狗，監(jiān)控設(shè)備程序執(zhí)行情況。

3、程序設(shè)計(jì)

（一）、通訊協(xié)議

令牌環(huán)網(wǎng)是IBM公司于80年代中期推出的環(huán)形網(wǎng)，采用屏蔽或雙絞線作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率為4Mbps或16Mbps。令牌環(huán)TokenRing是一種LAN協(xié)議，定義在IEEE802.5中。之所以稱為環(huán)，是因?yàn)檫@種網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)具有環(huán)的形狀。環(huán)上有多個(gè)站逐個(gè)與環(huán)相連，相鄰站之間是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路。通過圍繞環(huán)的令牌信息授予傳輸權(quán)限。

令牌環(huán)網(wǎng)符合IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)，采用了一種無沖突的介質(zhì)訪問控制協(xié)議，環(huán)中第一個(gè)加電激活的站點(diǎn)將成為活監(jiān)督站，由它發(fā)布一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)幀，稱之為“令牌”，令牌在環(huán)上順次傳送。當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)抓到這個(gè)令牌，就有了“通行證”，可以在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完或令牌指定時(shí)間到期之后，這個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)就必須放棄令牌，然后，令牌繼續(xù)向下依次傳遞。除了發(fā)送節(jié)點(diǎn)以外，環(huán)上各節(jié)點(diǎn)一旦接收到令牌或數(shù)據(jù)幀都要轉(zhuǎn)發(fā)，直到數(shù)據(jù)幀返回到發(fā)送節(jié)點(diǎn)后，再由發(fā)送節(jié)點(diǎn)刪除數(shù)據(jù)幀并發(fā)出令牌。當(dāng)前光纖網(wǎng)大多數(shù)采用令牌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。例如，F(xiàn)DDI（光纖分布數(shù)字接口）標(biāo)準(zhǔn)就采用令牌環(huán)方法，但它允許環(huán)上有多個(gè)令牌在傳遞，在100km范圍內(nèi)可接500個(gè)工作站，傳輸速率達(dá)100Mbpa。最新的光纖網(wǎng)技術(shù)傳輸速率能達(dá)到Gbps數(shù)量級(jí)。

（二）、程序設(shè)計(jì)思想

整個(gè)程序包括兩部分：控制系統(tǒng)程序和節(jié)點(diǎn)設(shè)備程序。控制系統(tǒng)程序主要包括數(shù)據(jù)通訊程序和顯示程序兩部分。其中通訊程序的實(shí)現(xiàn)方法采用令牌環(huán)通訊方法，其思想如下：令牌環(huán)網(wǎng)是一種以環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的局域網(wǎng)（環(huán)型網(wǎng)絡(luò)）。控制器所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)上高速運(yùn)行著令牌，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的操作按鈕按下后，節(jié)點(diǎn)設(shè)備就提出操作請(qǐng)求，經(jīng)控制系統(tǒng)同意，節(jié)點(diǎn)設(shè)備拿到操作令牌，節(jié)點(diǎn)設(shè)備就此獲得了執(zhí)行操作的權(quán)利，其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備鎖死，不能進(jìn)行任何操作；當(dāng)獲得令牌的節(jié)點(diǎn)設(shè)備完成其所有操作后，將令牌交出，其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備被解鎖，至此令牌繼續(xù)在通訊總線上循環(huán)，等待操作。

（三）、主程序流程圖

主程序流程圖，如圖4所示。

（四）、中斷程序

當(dāng)某節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作時(shí)間超過了設(shè)定時(shí)間時(shí)，峰鳴器就會(huì)嗚叫以提醒工作人員該節(jié)點(diǎn)設(shè)備所處的工作狀態(tài)，需要及時(shí)復(fù)位。中斷子程序流程圖，如圖5所示。

（五）、節(jié)點(diǎn)設(shè)備程序

節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制過程主要完成對(duì)該節(jié)點(diǎn)設(shè)備系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，通過接近開關(guān)和控制按鈕，及時(shí)讀取狀態(tài)信號(hào)，通過RS-232串口通訊將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，通過蜂嗚器提醒工作人員及時(shí)處理情況。

五、結(jié)束語

基于令牌環(huán)網(wǎng)串行通訊的控制系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，能很好的完成對(duì)過程的管理，具有安全性和自動(dòng)化程度高，性能可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠保證實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和工作過程的監(jiān)控。

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