基于RS-485總線多CPU控制系統(tǒng)簡化網(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)簡單、組網(wǎng)容易，得到廣泛的應(yīng)用。

本項目參照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)計思想，設(shè)計相對簡化且適用于基于RS-485總線的多CPU控制系統(tǒng)的簡化網(wǎng)絡(luò)模型和通信協(xié)議。

2 RS-485簡化網(wǎng)絡(luò)模型的總體設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

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)交換過程為一問一答方式，該種方式可以防止多個子控制器之間無次序通信，從而避免擾亂整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 OSI七層模型的簡化

OSI參考模型是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的一種開放式互聯(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)實的。根據(jù)TCP/IP協(xié)議和OSI分層的思想，在實際應(yīng)用中可采用進(jìn)一步簡化的網(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。簡化的四層模型如圖1所示。

2.3 簡化模型的結(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，檢測傳輸中出現(xiàn)的錯誤、丟幀等錯誤并解決這些錯誤。

（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 簡化網(wǎng)絡(luò)模型中幀封裝格式

（1）指令數(shù)據(jù)幀格式：對于多CPU控制系統(tǒng)來說，一般指令由“目的＋內(nèi)容”組成?！澳康摹睘橹噶钏獙崿F(xiàn)的功能，“內(nèi)容”為要實現(xiàn)目的所要的數(shù)據(jù)。所以必須要為整個網(wǎng)絡(luò)定義一個統(tǒng)一的幀格式，其如圖2所示。

系統(tǒng)控制指令用1個字節(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)實際需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度來說，用2個字節(jié)的幀數(shù)據(jù)較為合適。累加和校驗將前面的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)主控制器用某個子控制器地址查詢且有正確回答時，其才能建立連接。同時主控制器和子控制器之間采用一問一答方式傳送數(shù)據(jù)幀，這樣可以明確區(qū)分幀數(shù)據(jù)來源和目的。

（2）連接控制字：本系統(tǒng)采用一個字節(jié)的連接控制字，其通過一問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。