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

分布式控制系統(tǒng)是基本的控制結(jié)構(gòu)形式。實(shí)現(xiàn)分布式控制，多采用主從式微機(jī)網(wǎng)絡(luò)形式。隨著現(xiàn)代控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，控制系統(tǒng)大多數(shù)基于主從站節(jié)點(diǎn)建構(gòu)遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)。由于RS-485總線性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)容易，得到廣泛的應(yīng)用。

本項(xiàng)目參照OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型和TCP/IP（傳輸控制/網(wǎng)間）協(xié)議的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)化且適用于基于RS-485總線的多CPU控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型和通信協(xié)議。

2 RS-485簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型的總體設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(guò)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(guò)程為一問(wèn)一答方式，該種方式可以防止多個(gè)子控制器之間無(wú)次序通信，從而避免擾亂整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 OSI七層模型的簡(jiǎn)化

OSI參考模型是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的一種開(kāi)放式互聯(lián)的基準(zhǔn)模型，其包含七層參考模型，分別為：應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。而TCP/IP實(shí)質(zhì)只有三層，即應(yīng)用層、運(yùn)輸層和網(wǎng)絡(luò)層。由于網(wǎng)絡(luò)接口層框架內(nèi)容空泛，所以綜合OSI和TCP/IP的特點(diǎn)，可以簡(jiǎn)化為五層模型。然而從網(wǎng)絡(luò)硬件和成本上考慮運(yùn)用OSI的七層模型或五層模型，是不現(xiàn)實(shí)的。根據(jù)TCP/IP協(xié)議和OSI分層的思想，在實(shí)際應(yīng)用中可采用進(jìn)一步簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)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(yùn)輸層和應(yīng)用層。簡(jiǎn)化的四層模型如圖1所示。

2.3 簡(jiǎn)化模型的結(jié)構(gòu)定義

（1）物理層：采用EIA RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)通信接口采用MAX485完成電平轉(zhuǎn)化，波特率為9600bps，主從式總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（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?，幀邊界識(shí)別方法及其傳輸方式。

（3）運(yùn)輸層:提供控制程序之間通信服務(wù)，各CPU之間數(shù)據(jù)可靠連接和傳輸，檢測(cè)傳輸中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、丟幀等錯(cuò)誤并解決這些錯(cuò)誤。

（4）應(yīng)用層：利用下層提供的數(shù)據(jù)和接口，定義解釋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議。將網(wǎng)絡(luò)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(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2.4 簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型中幀封裝格式

（1）指令數(shù)據(jù)幀格式：對(duì)于多CPU控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般指令由“目的＋內(nèi)容”組成。“目的”為指令所要實(shí)現(xiàn)的功能，“內(nèi)容”為要實(shí)現(xiàn)目的所要的數(shù)據(jù)。所以必須要為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)定義一個(gè)統(tǒng)一的幀格式，其如圖2所示。

系統(tǒng)控制指令用1個(gè)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(shí)際需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，用2個(gè)字節(jié)的幀數(shù)據(jù)較為合適。累加和校驗(yàn)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(yàn)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(duì)應(yīng)即可以用子控制器的地址作為查詢碼，當(dāng)主控制器用某個(gè)子控制器地址查詢且有正確回答時(shí)，其才能建立連接。同時(shí)主控制器和子控制器之間采用一問(wèn)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(lái)源和目的。

（2）連接控制字：本系統(tǒng)采用一個(gè)字節(jié)的連接控制字，其通過(guò)一問(wèn)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。