1 引言
在測試系統(tǒng)中，常需要對多臺儀器設(shè)備進(jìn)行集中控制，并對它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理。測試系統(tǒng)智能化和自動化程度的提高對測試設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換提出了更高的要求，這里，分布式控制成為一種十分有效的方式［1］。在分布式測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換主要在主處理機(jī)與各智能控制單元間進(jìn)行，根據(jù)測試系統(tǒng)的特點(diǎn)，其通信系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可靠性、通用性、擴(kuò)展能力和簡單的連接方式，并應(yīng)能適應(yīng)長距離傳輸?shù)男枰谙到y(tǒng)通信方式及其協(xié)議的制定中應(yīng)充分考慮以上特點(diǎn)，以使其適應(yīng)不同測試應(yīng)用的需要。
2 物理層協(xié)議與接口設(shè)計(jì)
為適應(yīng)多控制節(jié)點(diǎn)和長距離通信的需要，本文采用RS—485半雙工串行通信協(xié)議作為本測試控制網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。由于采用了平衡驅(qū)動、差分接收方式，有效地減小了共模干擾等影響，從而使其傳輸距離和帶負(fù)載能力等都較RS—232C有很大提高［2］。
由于目前的PC機(jī)都配有RS—232C接口，故設(shè)計(jì)了一種RS—485接口，它可以安放在普通的轉(zhuǎn)接頭內(nèi)，直接插到PC機(jī)的串口上，把PC機(jī)的RS—232C輸出轉(zhuǎn)換為RS—485輸出，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。與其它方法相比，這一方法具有接口方式簡單、通用性強(qiáng)、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，我們還可在這一接口中加入智能控制單元，以適應(yīng)與常規(guī)儀器設(shè)備通信的需要。
圖1 串行接口適配器
3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與軟件設(shè)計(jì)
分布式測試系統(tǒng)中，各測試設(shè)備主要與主處理機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)這一特點(diǎn)，本文決定采用較為明確的主從式通信作為系統(tǒng)通信方式［3］，以保持系統(tǒng)功能的統(tǒng)一性并同時(shí)滿足其余節(jié)點(diǎn)間通信的需要。
3.1 信息幀格式
系統(tǒng)中數(shù)據(jù)與命令的傳輸均采用打包方式，數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。其中，地址字節(jié)最高位規(guī)定為0，用以標(biāo)志幀起始；采用可變長數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度范圍為1～255字節(jié)；采用兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)；尾標(biāo)志規(guī)定為0FFH，用以標(biāo)志幀結(jié)束。字節(jié)傳輸格式規(guī)定為11位，即8位數(shù)據(jù)位，1位地址/數(shù)據(jù)標(biāo)志位，1位起始位和1位停止位。為便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，把傳輸字節(jié)劃分為地址類碼與數(shù)據(jù)類碼，地址類碼第9位標(biāo)志為1，可為所有處于聽者狀態(tài)的下位機(jī)接收；數(shù)據(jù)類碼第9位標(biāo)志為0，只能被指定的下位機(jī)接收。
通信中，主機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)可分為針對指定下位機(jī)的址令和針對所有下位機(jī)的通令。為此，我們規(guī)定地址7FH為通令地址，發(fā)向該地址的命令可為所有下位機(jī)接收。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，均采取應(yīng)答方式進(jìn)行通信，下位機(jī)接收到主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)后，立即回送狀態(tài)信息。若超過指定時(shí)間仍未收到應(yīng)答信息，則進(jìn)行超時(shí)報(bào)警。本系統(tǒng)中約定用4個(gè)字節(jié)分別表示系統(tǒng)的通信和工作狀態(tài)。其中，兩個(gè)字節(jié)代表通信狀態(tài)，兩個(gè)字節(jié)代表控制器當(dāng)前工作狀態(tài)，可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。這里，采用CRC方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤時(shí)，主機(jī)采用自動反饋重發(fā)方法進(jìn)行糾正。
圖2 數(shù)據(jù)通信幀格式
3.2 基于中斷的通信軟件設(shè)計(jì)
為了保證主處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等工作的時(shí)間，通信過程應(yīng)盡量減小其影響，故在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，主要過程均采用中斷驅(qū)動。發(fā)送信息時(shí)，只需將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，其后的過程即由中斷接管；同樣，接收過程也完全由中斷管理，使主機(jī)在進(jìn)行其它處理過程中無需任何等待。為適應(yīng)不同的通信任務(wù)，特別是大數(shù)據(jù)量通信的需要，接收及發(fā)送部分均采用了環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)。為充分利用硬件資源，主要過程采用匯編語言編寫，采用嵌入式匯編與匯編調(diào)用相結(jié)合的方法編寫C語言通信函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)與高層程序的接口。另外，各主要通信過程均構(gòu)成獨(dú)立的通信函數(shù)，可在任何采用該協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)中使用。圖3所示為其中的串口中斷處理流程。這里，數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收均采取逐字節(jié)方式進(jìn)行，以避免集中占用主機(jī)工作時(shí)間。
采用以上通信協(xié)議和軟件，基于總線型網(wǎng)絡(luò)，我們方便地實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)之間以及PC機(jī)與智能儀器間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)驗(yàn)證明它們具有良好適應(yīng)性。
圖3 串口中斷處理流程
4 網(wǎng)絡(luò)式通信在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用
在綜合性測試系統(tǒng)中，往往需要對其中的多種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行集中統(tǒng)一控制。此外，主機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理及分析計(jì)算，控制過程不應(yīng)對以上過程產(chǎn)生影響。一般而言，系統(tǒng)應(yīng)能控制盡可能多的節(jié)點(diǎn)并應(yīng)具備一定的擴(kuò)展能力，以便于加入新的測試設(shè)備。
對以上控制要求，目前常采取硬件集中方式，即由硬件電路組成集中控制器控制傳感器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，它具有功能集中、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但也有邏輯關(guān)系復(fù)雜、靈活性差、故障不易排除等許多不足。由前述可見，此類系統(tǒng)可視為由多個(gè)傳感測試單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的分布式系統(tǒng)。采用以上網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)思想，我們可將系統(tǒng)控制功能分散到各測試單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而構(gòu)成以系統(tǒng)主處理機(jī)兼作主控機(jī)的基于半雙工通信的分布式測試控制系統(tǒng)。
圖4 應(yīng)用進(jìn)程與主要通信模塊間關(guān)系
采用上面所述的通信協(xié)議和軟件，在約定了本控制系統(tǒng)特定的一套命令碼后，即可由主機(jī)對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。由于采用了全部基于中斷驅(qū)動的設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)通信過程不會對主機(jī)處理工作產(chǎn)生影響。系統(tǒng)主處理進(jìn)程與部分通信模塊間的關(guān)系示于圖4。實(shí)際應(yīng)用表明，與原有方法相比，控制系統(tǒng)的性能可得到很大提高。
5 結(jié)論
本文旨在研究一種具有較為廣泛適應(yīng)性的數(shù)據(jù)通信方式并建立一套相應(yīng)的通信協(xié)議，從而為我們今后進(jìn)行檢測過程和檢測儀器的自動控制等工作打下基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)的集中式硬件控制相比，本文所介紹的基于RS—485的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)及其協(xié)議具有可靠性高、靈活性大、適應(yīng)性好、故障診斷方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于對智能化測試單元的控制。事實(shí)上，只要對圖1所示的串行接口稍作改動，即可用于目前許多配有外部通信接口，特別是RS—232C接口的測試儀器，從而實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制。
為測試通信系統(tǒng)的可靠性，將其置于強(qiáng)干擾環(huán)境中，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在67.5Kbps波特率、100m傳輸距離下，完全可以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。