組態(tài)王與單片機多機串口通信的設(shè)計

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)計的監(jiān)控系統(tǒng)逐步普及?，F(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)．具有友好的人機操作界面、強大的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)王與單片機的串口通訊方法
    目前，組態(tài)王與單片機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)。但不可靠和非實時。而自己開發(fā)通訊驅(qū)動程序會帶來設(shè)計困難，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多機串口通信方法，可滿足大多數(shù)系統(tǒng)需求。

3 PC機與單片機的硬件接口電路
    圖1為上位PC機與下位單片機80C51的連接電路。PC機與單片機本身都自帶串行通訊接口，但由于在分布式系統(tǒng)中PC機與各單片機的分布不集中，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，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信，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為單片機地址設(shè)置電路，單片機STC89C52的P1口的低4位用于設(shè)定本機地址，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)的本機地址是11 11。下位單片機在開始工作前需先設(shè)定自己的地址，這樣，在開機自檢時下位單機片就能獲取本機地址。

4 系統(tǒng)通訊協(xié)議設(shè)計
    組態(tài)王提供了通過PC機與單片機串口進行十六進制數(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、校驗方式。其中，數(shù)據(jù)位、停止位、波特率由單片機決定。組態(tài)王中的設(shè)定和單片機一致即可。校驗方式參照“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(檢驗位為1)：

  
    格式2單片機應(yīng)答地址格式(檢驗位為0)：

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

  
    格式4單片機應(yīng)答讀數(shù)據(jù)格式(正確)(檢驗位為O)：

   
    格式5單片機應(yīng)答讀數(shù)據(jù)格式(錯誤)(檢驗位為0)：

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

   
    格式7單片機應(yīng)答寫數(shù)據(jù)格式(正確)(檢驗位為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，此地址為單片機的地址，由單片機中的程序決定；
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：實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后；
DataLong：單片機返回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 單片機通訊程序流程設(shè)計
    圖4為組態(tài)王程序流程，圖5為單片機通訊程序流程。80C51系列單片機多機通訊可歸納如下：

    上位機的SM2=0，所有下位機的SM2=1，以便只接收上位機發(fā)來的地址；
    上位機給下位機發(fā)送地址時，第9數(shù)據(jù)位應(yīng)該為1，以指示下位機接收這個地址；
    所有下位機在SM2=1，RB8=1和RI=0時，接收上位機發(fā)來的地址，進入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，并與本機地址相比較，以確認(rèn)是否為被尋址的下位機；
    被尋址下位機通過指令清除SM2，以便正常接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并向上位機發(fā)回接收到的地址以便核實。未被尋址的下位機保持SM2=1，并退出各自的中斷服務(wù)程序；
    完成上位機和被尋址下位機之間的數(shù)據(jù)通信后，被尋址從機使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)實現(xiàn)組態(tài)王軟件與單片機多機的實時通信，已經(jīng)在實際項目中得到應(yīng)用。應(yīng)用的結(jié)果表明該設(shè)計方法簡單有效，實時性好，成本低廉，可以在控制與監(jiān)控系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。