摘要：本文描述了一個基於現場匯流排的電子清紗器網路監控系統的結構和實現方案。系統採用現場匯流排技術，利用Moxa CP-114IS構成雙向串列多節點多匯流排協議共存的數字通信系統，實施對現場設備實時數據的採集和監控。文中闡述了系統各組成部分的功能和實現方案。重點介紹了主、從機之間的通信規約以及通信軟體模塊的編程思路。
關鍵詞：現場匯流排, RS-485, 實時監控, 單片機, 消息, 多任務機制，COM
中圖分類號：TP273
引言
在絡紗過程中清除紗線中的有害紗疵，是紡紗生產的關鍵工序之一。以往紡紗過程中的清紗管理只是單機管理，利用電子清紗控制器（一種由兩級單片機構成的RS-422全雙工匯流排式監控裝置）實時進行120路紗線上的紗疵清除工作；並完成該機台相關參數的設定、統計、故障實時監測和LCD界面控制等工作；同時積累了大量生產數據，形成了“信息孤島”，不利於全車間範圍內的絡紗生產和質量管理。為了提高車間的生產效率和管理水平，我們開發實現了一個基於現場匯流排的電子清紗器網路監控系統。該系統中，電子器清紗器具有了數字通信能力；同時增設工控機作為遠程監控計算機，利用MOXA CP-114IS非同步多串口卡組成以RS-485為物理層的現場匯流排，將單個分散的現場設備變成網路節點，實現現場設備與遠程監控計算機之間的數據傳輸和信息交換。系統最大掛接127台電子清紗器，輪巡採集每一台電子清紗器中的相關數據，組建資料庫並進行統計分析，及完成相關參數的統一設定；增設網路型溫濕度感測器對紗線的生產條件自動監測紀錄，避免了人工抄錄的繁重工作；同時LED條屏顯示器滾動顯示生產通知以及崗位產量質量實時數據，增強了崗位間的競爭力。下面對該系統做詳細闡述。
1 系統拓撲結構：
整個系統是一個基於RS-485物理協議，自定現場設備通信協議和標準現場匯流排協議共存，實現數據傳輸與信息交換的現場匯流排系統。包括監控層、通信層、現場設備層三部分。系統結構如圖1所示。
1.1監控層
用工控機作為車間級監控伺服器，接收底層現場設備傳送的數據並組建資料庫，實現對現場設備的監控管理，進行工藝參數的設定和修改。同時可以通過Intranet/Internet技術與企業區域網或遠程控制網站相連。
1.2通信層
約定通信協議與各底層現場設備通信。由MOXA CP-114IS、研華ADMA-4510S(中繼器)形成基於RS-485物理協議的現場匯流排。其中，中繼器主要是考慮到現場設備與車間級監控伺服器通信距離遠時選用。
1.3現場設備層
由數台電子清紗器、溫濕度感測器以及LED條屏顯示器構成。其中與電子清紗裝置的連接是利用8251 USART（Universal Synchromous/Asynchronous Receiver/Transmitter）晶元，加入RS-485通信驅動電路形成數字通信介面，在保證原有功能不受影響的前提下，通過通信層與監控層交換數據。
2 通信層設計
2.1通信協議
監控層工控機(稱主機，以下同)通過PCI通信控制卡（MOXA CP-114IS）的COM埠形成基於RS-485物理協議的現場匯流排，最大可與127台現場設備電子清紗器（稱從機，以下同）進行主從通信。從機核心為Intel 8031單片機，非同步串列通信波特率可達19.2Kbps；每一位元組傳送數據共有11位：1個起始位，8個數據位，1個奇偶校驗位，1個停止位。主機與從機通過通信層以數據包形式傳送數據，數據包格式如表1所示。
其中：55H,AAH分別為幀頭和幀尾，用於標識一個完整的數據包；數據包第2位元組中的D6~D0為下位機的唯一地址編碼，確保某一時刻通信鏈路的唯一性，D7位用於標識數據流的方向，便於處在匯流排上的各節點判斷數據流向,並配合地址碼錶示每一數據包的目的地址或源地址；數據包3、4位元組同為數據包的長度,以增強通信的可靠性；第5位元組為操作碼+項目碼共同組成的命令碼，並結合數據流標誌明確通信命令所表示的內容和動作要求（如設定，查詢，正反嚮應答等）；緊接著的部分為數據包的可變信息體，根據不同的通信項目由主機下傳的參數或是從機上傳應答的數據組成；校驗和採用位元組累加（不計進位），保留最低位元組計算的結果，確保數據包傳遞的正確性。
2.2通信過程
通信採取主從應答方式，主機首先發送地址幀作為握手，被定址的從機應答主機，建立連接；在判斷地址符合后，主機給被定址的從機發送控制命令，被定址的從機根據其命令向主機回送相應的數據或應答。同時所有未被定址的從機根據通信協議監聽匯流排上的下行數據（以主機為參考點），以便取得地址信息與主機建立連接。通信鏈路主要過程如圖2所示：
3 現場設備層設計
3.1現場設備層硬體設計
現場設備層每台現場設備均由16個前級數據採集處理器(實時採集120路紗線信號，採用RS-422全雙共匯流排與后級單片機通信)和1個后級單片機構成監控裝置。為了實現與上位監控層的數字通信，加入RS-485通信驅動電路。硬體原理框圖如圖3所示。
3.2現場設備層軟體設計
作為現場設備的電子清紗器是一個24小時不間斷運行的多任務實時監控裝置。由於該裝置要檢測跑紗平均速度為600m/min，共120路紗線的紗線截面變化信號，使其具有很高的實時性要求；同時還要實現相應的動作控制（如對有害紗疵的切除等）以及后級單片機系統的實時處理，顯示、統計等功能，又決定了該裝置的多任務性。這樣在保證原系統的實時性和多任務性的同時，加入現場設備層的通信軟體在編寫時就有了一定的特殊性。我們借鑒Windows編程的原理，在單片機編程中進入消息概念，進行基於消息的多任務機制編程。從機的監控軟體主要流程如圖4所示（主要對通信部分說明）。
其中：主程序主要完成上電自檢、消息巡檢、按照消息隊列組織通信信息體、數據發送、功能鍵散轉、驗校設備等工作。為了保證系統的實時性，必須減少中斷服務的時間佔用，因此在中斷程序中只做簡短的消息標誌處理和必要工作。大量的消息響應工作則利用中斷的間隙進行處理。
T0中斷每0.5毫秒產生一次，該段程序是整個從機任務的管理員，是現場設備程序的核心。T0主要完成匯流排上數據的接收和判斷、採用時間片演算法完成對紗線信號採集器的通信控制、車速的採集、產質量記錄等任務。值得說明的是，為了保證從機的實時性，沒有採用常規的中斷通信接收或等待查詢的接收編程方式，而是結合T0中斷時間的周期性和非同步串列數據傳輸的特點，定時做數據接收端的掃描，完成數據的接收（這部分程序占時不應大於60個機器周期,否則影響主程響應的實時性）；當主程監測到有完整數據包到來標誌后，進行數據包的流向、地址以及正確性分析並置欲發送信息的裝配標誌；同樣當主程巡檢消息隊列時發現信息裝備標誌后，則分析主機命令、裝備信息、建立發送標誌，並以消息的形式通知主程用查詢方式發送數據包。這樣做不僅可以提高中斷的響應速度，又不影響數據的處理和其他任務的執行。很好的解決了多中斷實時數據響應與數據處理耗時之間的矛盾，從而提高了系統的實時性。
由於8251 USART晶元沒有數據幀和地址幀的區分功能，也就是說匯流排上的所有從機必須監聽所有在匯流排上的數據，這樣會由於各從機時時監聽數據，嚴重影響系統的實時性。為了解決這個矛盾，我們定義了完備的通信協議，其中加入了地址碼、數據流向標誌和雙幀長等通信規約，以幫助主、從機迅速判斷數據包的流向，完整性以及是否做處理的標誌，當從機接收到非自己的數據包或錯包時，根據各種消息標誌快速退出通信處理過程。同時T0中的數據掃描避免了簡單利用多中斷機制在監聽大量隨機匯流排數據時，頻繁的中斷對整個軟體時間片劃分的破壞，以及由於接收數據的隨機性使得查詢接收方式不可行的缺點，從而最大限度的保證了系統實時性。
4 監控層軟體設計
監控層軟體作為現場匯流排系統監控軟體是在Windows 2000 Sever 、Delphi 6.0 以及 SQL Sever 2000的環境下開發而成。主要由通信組態模塊、許可權管理模塊、系統動態監控模塊、報表管理模塊、現場LED條屏顯示管理模塊、Intranet/Internet接入模塊（預留模塊）六部分組成。由於這類監控軟體編製方法趨於成熟規範，在此僅在建立該現場匯流排系統軟體參考模型的基礎上，對數據組織的核心模塊——通信組態模塊的一些特殊處理加以說明。
眾所周知，現場匯流排技術的不斷發展，出現了多種現場匯流排，且各具特色；同時我們也看到不同的現場匯流排有著不同的應用領域，尚不存在一種能解決所有工業問題的現場匯流排；即便是同一類型產品，也存在著用不同的現場匯流排實現的可能性；同時多種現場匯流排集成在一個系統中，讓不同的匯流排充分發揮各自的優勢可以更好地共同完成控制任務。因此，在工業系統中必然會出現多種現場匯流排並存的局面。這就為監控層系統軟體對多種現場匯流排的兼容性、擴充性提出了更高的要求。為了適應這樣的發展趨勢，我們在系統軟體（監控層軟體）設計時構造如下的參考模型，一定程度上解決了多種現場匯流排並存於一個系統的問題，使系統軟體具有了較好的可擴展性。目前，該系統軟體主要是針對在紡織企業中廣泛使用的普通絡筒系列電子清紗器（RS-485現場匯流排，自定協議）設計；考慮行業發展方向，軟體同時對自動絡筒系列的電子清紗器（CAN現場匯流排）以及其他現場匯流排協議設備具有良好的兼容性。為監控層系統軟體構建的參考模型如圖5所示(圖中僅以兩種現場匯流排協議共存的情況舉例說明和分析)。
在監控層軟體參考模型中：表示層為主機構建友好的人機監控界面，向用戶提供絡紗車間的各種實時數據，統計數據；調度層是表示層和傳輸層連接的橋樑，該層根據上層的需求，向下層索取相關數據；同時將下層上傳的各項數據分發給上層；傳輸層將識別調度層提交的數據所屬現場匯流排協議，打包、成幀，通過通信物理層硬體設備發送給從機；並識別從機上傳數據幀的協議類型，解包，提交給數據調度層。
在這個模型中可以看出，普通絡筒機電子清紗器與自動絡筒機的電子清紗器組網時二者之間的差異主要體現在數據傳輸層，而上面兩層則相對比較獨立。針對這種情況，我們在軟體設計中採用COM技術（The Component Object Model , 組件對象模型）來實現數據傳輸層，並定義其與數據調度層的介面。然後以此介面為普通絡筒機編寫一個符合自定現場通信協議的組件類；為自動絡筒機編寫一個遵守CAN協議的組件類。在應用程序中根據某個通信串口掛接的是普通絡筒機還是自動絡筒機而使用不同的組件類。同樣利用該模型，對於遵守MODBUS協議的網路溫濕度感測器，也可以建立屬於自己協議的組件類實現與數據調度層的連接，實施對紡紗車間生產重要參數（溫、濕度）的定時採集。
監控層軟體設計中採用COM技術為各通信埠建立通信組件類的一維數組CommObject，與現場設備地址一維數組之間形成的多對一的映射，實現現場設備地址的動態管理；採用時間片調度演算法，使應用程序後台調度均勻合理（例如定時查詢每台從機的電壓、系統校時等處理），且不影響其前台程序的運行；採用事務最小範圍化，保證數據與資料庫交互的一致性，同時增設布爾變數，跟蹤應用程序與後台資料庫的連接狀態，當兩者連接中斷時，啟用後台線程恢復應用程序與資料庫的連接（非硬體故障情況下）。
5 抗干擾措施
紡織工業生產環境惡劣，為了增強系統的可靠性。對現場的干擾通過軟硬體的方法進行了有效的抑制和處理。
5.1硬體抗干擾措施
紡織工業生產環境中，供電系統和空間電磁以及靜電干擾都很嚴重。因此，在系統規劃初期，就選用了具有良好抗干擾能力的工業級板卡和晶元。主機通信卡上選用PCI擴展的MOXA CP114-IS非同步多串口卡，該卡採用晶元硬體流量控制（數據流向自動控制 ADDC (Automatic Data Direction Control) 功能）和內建終端電阻保證了數據的完整性, 具有的光電隔離（2KV）和浪涌保護（25KV ESD）功能，為系統在惡劣的工業環境下運行提供了可靠保證；從機通信驅動晶元選用有完全絕緣介面的MAX1480E，這對於傳輸匯流排上的高壓尖峰信號和可能受到的靜電衝擊（紡織車間這種干擾很嚴重）具有很好的抑制作用；為防止干擾引起從機單片機系統死循環，採用看門狗複位電路，使從機程序恢復正常運行；通信線纜選用屏蔽雙絞線纜，以上選用的硬體有效的抑制了系統中輸入信號和現場電磁的干擾。
5.2軟體抗干擾措施
現場的干擾將會直接影響從機的運行狀況，為了使這種干擾的影響減少，針對從機USART 8251晶元不具備地址幀和數據幀區分的現狀，為此制定了較為完備通信協議。數據包中含有的幀頭/幀尾，數據流向標誌，從機地址，雙幀長和校驗字等信息，為主從機準確判斷數據包的完整性和正確性提供了可靠保證。
為了保護從機系統中的有效數據，在單片機系統中對片外RAM和外部擴展晶元（例如：8251、8253、8279等）的地址做了統一規劃。片外RAM單元採用16位地址，同時用P2.7做片外RAM的片選信號，而外部擴展晶元則採用8位地址。這樣，在程序中對外部擴展晶元的操作時，可以利用對P2.7的控制，有效保護RAM中的重要數據。
6 結束語
工業現代化的發展，對生產過程的自動控制、信息整合提出了更高的要求。基於現場匯流排的電子清紗器監控系統在設計結構上，以RS-485物理協議為基礎，針對特殊現場設備自定通信協議，建構了一個基於現場匯流排技術的數字通信網路，將各類分散的現場設備有機結合、實現了資源共享；同時提出的該現場匯流排系統軟體編寫的參考模型，使該系統實現了多類協議共存，建構了一個開放的，標準匯流排與非標準多現場匯流排共存的系統，從此整個車間範圍內的信息溝通了起來，為車間更好的進行產、質量管理以及人員、設備管理提供了條件。同時由於採用現場匯流排技術，使現場設備具有數字通信功能，所有現場設備都可以方便的掛接在兩條串列通信線上，大大節約了資金，提高了可靠性，並具有良好的開放性。
目前，該系統經過反覆實驗調試，現已進入現場試運行階段，效果良好。該系統不僅適用於紡織工業中的電子清紗控制，也適用於各類大面積單機生產的信息化管理。因此，基於現場匯流排的電子清紗器網路監控系統的設計思路對於其它各類單機現場設備都有廣泛的適用性，同時對於多現場匯流排共存的系統監控軟體的編寫也具有一定的參考價值。、
參考文獻
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