基于UART設備的現場總線通信協議*

王清珍，鄔寶寅

(1.鄭州科技學院信息科學與工程系，鄭州450064;2.鄭州科技學院機械工程系，鄭州450064)

1 基于UART設備的現場總線應用分析

現代工業現場控制中，經常采用現場總線結構［1］，將各個工業現場設備連接起來，實現設備之間的信息交換。單片機等帶有UART結構的芯片可以用來制造工業現場控制器、智能儀表等設備，這些設備可以通過單片機自帶的UART結構［2］來搭建現場總線，實現相互通信。UART設備廣泛存在于單片機等可編程設備中，這種設備傳輸簡單，具有較高的數據傳輸正確性和準確性，可以實現芯片之間半雙工、雙工異步通信。但僅靠芯片電平的UART設備傳輸距離較近，且只能實現主機、從機之間的通信，不能實現任意兩個設備之間的通信，不完全符合現場總線之間的要求。

為實現現場總線功能，需要設計一套通信協議，實現任意兩個UART設備之間的通信。并且需要采用RS485型電氣接口，提高通信距離。RS485接口是一種工業電氣標準，采用半雙工方式通訊，可以實現較遠距離通信和較高的傳輸速度，抗干擾能力強。該設計將UART設備與RS485接口結合起來，借助相應的通信軟件，可以構建一種現場總線，用于工業現場設備的通訊。

2 硬件結構設計

在工業現場的可編程控制系統中，實現無主機的多機通信，每一個模塊本身在系統中既是一個主控模塊，相對于另一個模塊來說又是從模塊。模塊與模塊之間采用RS485工業現場總線通信［3］，因此在各模塊的串行通信端口必須增加電平轉換器。每個模塊采用以單片機為中心構成的嵌入式控制模塊，通過串口進行信息傳輸，通過接口芯片MAX487掛載在RS485現場總線上。各模塊通過本文設計的協議在RS485總線上進行穩定的數據傳輸，在整個總線上最多可以接入255個模塊。系統的總線硬件結構如圖1所示。

圖1 總線硬件結構

3 通信協議軟件設計

該通信協議的設計借助了令牌環［4］原理。掛載在總線上的每一個設備，都有唯一的一個地址，并存儲有下位設備的地址。總線上的設備常態下處于從控狀態，可以接收。擁有令牌標志的設備處于主控狀態，可以向需要傳送數據的目標設備發送數據，完畢之后將令牌標志傳送給下位設備。這樣可以保證在任一時刻只有一個設備具有數據發送權，而數據發送權在總線上所有的設備之間循環，使每一個都有向目標設備發送數據的機會。

信息傳輸過程中需要設置一系列的變量和常數。相互通訊的設備之間所傳送的內容有指令和數據兩種情況:所傳輸的是指令則第9位為1，是數據則第9位為0。傳輸指令和標志位的內容如表1、表2所示。通信軟件分從控模式和主控模式兩種情況。

表1 控制字與應答字分配表

表2 標志位含義解析表

3.1 從控模式

從控模式下設備處于接收狀態，可以通過UART中斷運行程序，對接收到的數據做出一系列判斷。接收到的內容有兩種可能，指令或數據，通過串行數據的第九位進行分辨，第九位為1表示指令，為0表示數據。

程序流程圖如圖2所示，接收到的內容若為指令，通過識別判斷指令的內容，結合相應標志位做出動作。在初始狀態下，作為數據接收方，若從控模式設備接收到尋址指令，且指令地址與本地地址相一致，則將地址匹配標志位置位;若接收到數據開始發送指令，且地址已經匹配，則將sm2位清零，數據接收緩存區初始化，做好數據接收準備;若接收到數據傳送結束指令，則將sm2位置位，地址匹配標志位復位，退出接收狀態。若接收到授令牌指令，且地址已經匹配，則將令牌標志置位，開始運行主控模式下的數據發送操作。若接收的內容是數據，且數據允許接收位sm2為0，則將數據存入接收緩存區。

圖2 從控模式程序流程圖

從控模式設備每接收到一次有效指令，都要向主控模式設備做出相應應答，而總線上每次只有唯一的從控模式設備，可以作出應答。在接收和應答相切換時要轉換MAX487芯片的收發狀態。每一次接收都由中斷觸發，發送應答由中斷關閉，可以節省CPU資源。

3.2 主控模式

當設備接收到有效的授令牌指令之后，轉為主控模式，并運行相關程序段。程序流程圖如圖3所示。若主控設備有數據需要向目標設備發送，則按程序流程圖所示過程，依次發送目標設備地址尋址指令，發送數據開始傳送指令，連續發送數據，最后發送數據傳送完畢指令;若主控設備沒有數據需要發送或數據發送完畢，便需要將令牌標志傳給下位機，依次發送下位機地址尋址指令和授令牌指令，退出主控模式。

圖3 主控模式

主控設備每次發送指令之后，都需要等待相應的從控設備發出正確應答，才能開始下一條指令的發送。若在規定時間內沒有收到正確的應答信號，則重復發送指令;當重復發送指令一定次數后還沒有收到正確的應答信號，則認為目標設備不存在，將相應的錯誤標志位置位。

為了簡化程序結構，主控模式運行中UART收發采用查詢方式。

4 結束語

整個系統由若干個模塊組成，模塊之間通過RS485電氣接口相連。在每個模塊上設計人機操作界面，構建了系統后臺數據庫，編寫了各個模塊的數據采集和處理程序［5］，建立了模塊與模塊之間的硬件電路，編寫調試了各部分的軟件代碼，提供了實時數據顯示。實現了各模塊數據的自動采集功能，加工處理后的數據能自動存入后臺數據庫中。設計的無主機多機通信模型最多可以連接255個現場可編程控制模塊，可以很方便地實現雙向通信，在通訊協議的支持下系統能自動識別各個功能模塊的功能。本系統結構較簡單，功能較完善，具有一定的實用價值，可以滿足集管分控可編程控制器的通信要求。

［1］ 潘世永，鄭萍，等.集散控制系統(DCS)的發展及展望［J］.自動化與儀器儀表，2003(4):50-53.

［2］ 王清珍.單片機原理及接口技術［M］.大連:大連理工大學出版社，2009.

［3］ 徐和飛，牛秦洲，等.基于MODBUS協議的開關量控制模塊設計［J］.自動化與儀表，2009(10):24-28.

［4］ 季燏..基于邏輯令牌環的容錯協議的研究與實現［J］.學位論文，2007.

［5］ 徐應躍，吳愛國，等.現場總線MAC層的分析［J］.化工自化及儀表，2010(2):20-23.