多點溫度監測系統與組態軟件的數據通信

艾紅

(北京信息科技大學自動化學院,北京 100192)

多點溫度監測系統與組態軟件的數據通信

艾紅

(北京信息科技大學自動化學院,北京 100192)

為了實現多點溫度監測系統功能,針對智能儀表與監控界面的設計,需要實現單片機系統與組態軟件的數據通信。采用單片機設計了菜單顯示畫面,描述了多點溫度監測系統構成和測溫程序設計思想,以及力控組態軟件讀數據命令格式和寫數據命令格式。闡述了單片機和力控組態軟件通信的原理、實現方法及設備組態與數據組態方法,力控與單片機通信協議的制定,描述了單片機和力控組態軟件數據通信流程圖。通過力控I/O設備監視器,概述了單片機與力控組態軟件之間數據傳輸的全過程。

組態軟件 數據通信 多點溫度監測 通信協議 菜單顯示

0 引言

多點溫度檢測技術在倉庫、樓宇、空調控制和生產過程監控等領域得到廣泛應用。這些領域溫度檢測的共同特點是測量點多、環境復雜、布線分散等。為了克服這些弱點,利用可組網數字溫度傳感器DS18B20的單總線特點,設計硬件電路組成傳感器網絡,實現多點溫度檢測。同時,采用外部供電方式,結合單片機STC89C516RD,選用RT12864M液晶顯示模塊實時顯示溫度。

為了解決現場離監控室較遠的問題,系統采用串行總線通信方式,通過接口轉換器在監控計算機與單片機系統之間搭建一個RS-485網絡實現數據通信,完成對現場多點溫度的采集。上位計算機采用力控組態軟件作為監測平臺,完成溫度與報警信息的實時顯示。利用力控組態軟件的人機界面和監控功能,可以開發一個界面直觀、功能齊全的溫度監測系統[1-2]。

1 多點溫度監測系統構成

多點溫度監測系統結構圖如圖1所示。

圖1 多點溫度監測系統結構Fig.1 Structure of the multi-point temperature monitoring system

下位機由單片機STC89C516RD、采集多點溫度的溫度傳感器、鍵盤、顯示電路、存儲器、報警電路和RS-485通信接口組成。下位機可以脫離上位機獨立工作。系統設計上位機的目的在于能夠更方便地遠離現場實現監控和管理。上位機與下位機的數據通信接口采用RS-485接口,通過計算機可對溫度數據進行全面的管理和監測,完成原始數據記錄等工作。

2 多點溫度監測系統程序設計

根據數字溫度傳感器DS18B20的通信協議,依次對DS18B20進行初始化、發送ROM功能命令和存儲器操作命令。當單片機發送溫度轉換命令后,往往要延遲足夠的時間使傳感器完成溫度的轉換。當傳感器數量較多時,循環采集一次的時間比較長,這使得采集的溫度數據實時性降低。為了提高多個傳感器數據采集的效率,軟件編程時執行跳過ROM匹配命令,發送溫度轉換命令,使所有傳感器同時進行溫度轉換。當溫度轉換完成后,再依次發送每個傳感器的序列號,讀取相應的溫度值。程序中設定了循環校驗的次數,若超過5次,則認定傳感器毀壞。溫度數據處理程序設計時根據溫度數據的符號位可以判斷溫度是否為負數,如果溫度數據為負數,則對數據進行相應的轉換。由于溫度數據為兩個字節,因此選用單片機的內部特殊功能寄存器DPTR存儲整個溫度數值。程序設計如下。

lcd_xianshi數組中存儲了傳感器采集到的溫度值,采集到的多點溫度值依次為多個房間的溫度值。

3 數據通信菜單與硬件設計

3.1 菜單顯示畫面

多點溫度監測系統通過鍵盤顯示電路實現菜單管理,菜單選項通過按下“菜單”鍵調出。當在菜單畫面上選擇和上位機通信功能時,按下確認鍵后,程序返回到房間溫度巡檢畫面,這時單片機系統的數據和力控組態軟件中的數據能夠相互通信。單片機系統內多個房間的溫度值、報警上限設定值、報警下限設定值都能實時地傳輸給力控組態軟件,并在力控組態軟件的畫面上實時顯示。當在力控組態軟件的畫面上修改上限報警和下限報警設定值后,報警數據的修改也能夠下傳給單片機系統。多點溫度監測系統配備了鍵盤,能夠通過鍵盤調用房間溫度定檢畫面、時間顯示畫面、報警顯示畫面、報警歷史數據畫面、時間設置畫面以及報警參數設置畫面等[3]。

3.2 遠距離數據通信

計算機一般都配有標準RS-232接口,而用RS-232標準傳輸數據時,傳輸的距離會受到限制。因此,為了實現數據的遠傳,系統設計通過一個RS-232轉RS-485的轉換器,在上位機與單片機之間搭建一個能夠使信號遠傳的RS-485網絡。RS-485標準實質上是RS-422標準的改進增強版本,它在傳輸時不采用TTL電平,傳輸距離遠。如以100 kbit/s的速率傳輸時,距離可達1.2 km;如果降低波特率,傳輸距離還可進一步提高。由于需要將信號轉化成適合于遠傳的RS-485標準信號,系統設計采用一個MAX487芯片完成相應的電平轉換。數據的傳輸主要受MAX487讀寫信號的控制。當單片機通過串口要發送數據時,需要把MAX487的狀態置為發送數據狀態;當單片機通過串口要接收數據時,則把MAX487的狀態置為接收數據狀態。為接收使能控制端,芯片處于接收數據狀態時,引腳必須置為0。引腳DE為輸出使能控制端,當芯片處于發送數據狀態時,引腳DE必須置1[4]。

4 組態軟件組態

在力控組態軟件組態畫面中,必須對設備進行組態。具體操作是在力控組態軟件畫面的I/O設備選項中選擇單片機,雙擊調出組態窗口設備配置。可以設置相應的參數,其中,更新周期、超時時間以及設備地址都關系到力控組態軟件發送報文的數據格式。通信方式選擇串口,點擊高級按鈕,進入設置高級配置單元。可以設置設備掃描周期、數據包采集失敗后重試的次數以及下置失敗的次數。設置完成后點擊保存,返回設備組態窗口。設置串口的相關參數,選擇串口的波特率、數據位、停止位和有無奇偶校驗。隨后進行數據組態,數據組態的目的是把各個數據的偏移地址分配好。

在數據組態時,將0～19地址組態為溫度值,20～29地址組態為報警上限值,30～39地址組態為報警下限值。雙擊力控組態軟件的數據組態選項,進入數據組態畫面。其中,數據組態畫面中有許多區域,用于區分不同的模塊。多點溫度監測系統設計中選用了區域00,選擇組態的點為模擬I/O點,雙擊模擬I/O點進入模擬I/O點組態畫面。

模擬I/O點組態畫面中需要為組態的點取名字,以便后期調用。點擊數據連接,進入數據連接窗口。由于在設備組態時,定義了名字為muc的I/O設備,因此設備選擇muc,分別對這個點的瞬時值PV、低限報警值LO、高限報警值HI值進行組態。數據顯示時,溫度的整數和小數部分分別采用兩個字節顯示。設實際建立的點數為20個,在要顯示整數數據的點上組態上限報警值和下限報警值的偏移地址。20個數據組態完成后的參數如表1示。從表1可以看出各個點組態的偏移地址。

表1 點組態偏移地址Tab.1 Offset address of point configuration

5 單片機與組態軟件通信

5.1 通信協議

上位機采用力控組態軟件,它對單片機制定了特定的通信協議,通信參數包括數據位、停止位、波特率以及校驗方式。其中,數據位、停止位、波特率須與單片機程序設定的一致。

力控組態軟件讀數據命令格式說明如下。

STX為報文開始碼02H,ETX為報文結束碼03H, 0DH為回車,0AH為換行。

Sta為設備地址,占1個字節,與在力控軟件組態時建立的設備地址相同。

R為讀標志,占1個字節,內容是52H;W為寫標志,占1個字節,內容是57H。

DataType為需要交換的數據類型,占1個字節。當DataType的值為1時,表示字節;當DataType的值為2時,表示字;當DataType的值為3時,表示浮點數。

DataNum為要讀取的數據數量,占1個字節。

DataAddr為數據偏移地址,2個字節,低字節在前,高字節在后。數據偏移地址以字節為單位。

Data為實際傳輸的數據,低字節在前,高字節在后。

DataLong為單片機返回Data的字節數,2個字節,低字節在前,高字節在后。

LRC為從第一個字節至LRC前的所有字節的異或值,占1個字節。

EndCode為結束碼標志位,通過它可以確認數據是否發生錯誤。當EndCode的值為0時,表示正確應答;當EndCode的值為1時,表示數據類型錯誤;當EndCode的值為2時,表示數據范圍超限;當EndCode的值為3時,表示指令無法識別,應為R或W;當EndCode的值為4時表示校驗錯誤。如果結束碼EndCode為異常值,則該數據幀的數據無效。

力控組態軟件的單片機通信的數據協議如圖2所示。

圖2 數據通信協議Fig.2 The data communication protocol

5.2 單片機數據通信軟件設計

單片機和上位機數據通信的協議要嚴格按照力控組態軟件傳輸數據的協議來編寫,主要包括讀數據命令格式和寫數據命令格式。單片機數據通信程序設計流程圖如圖3所示。

圖3 單片機和組態軟件數據通信流程圖Fig.3 Flowchart of data communication between SCM and configuration software

力控組態軟件可以發送讀數據命令格式,也可以發送寫數據命令格式。單片機需要判斷格式的類型,而接收到第三個字節的數據就決定了其命令的類型。當n=0x52時,為讀數據命令格式;當n=0x57時,為寫數據命令格式。單片機接收力控組態軟件發送的寫數據命令格式數據,包含寫入的數據、寫入數據的偏移地址和數據類型等內容。

5.3 組態軟件發送讀命令

上位機在力控組態軟件中對設備進行組態后,力控組態軟件會根據在設備組態里設定的時間,向單片機應用系統循環發送一定的讀數據格式。數據類型為數據組態時定義的數據類型,數據地址是要讀取的第一個數據的偏移地址,數據個數是組態時定義的點數。當單片機通過串口收到力控組態軟件發來的正確數據格式后,單片機向力控組態軟件發送單片機應答讀數據格式命令。單片機應答讀數據格式命令中包含了單片機向上位機所要傳送的數據。力控組態軟件根據數據的偏移地址,將接收到的數據存儲到相應的地址空間,這樣就完成一次數據傳輸。

由于力控組態軟件和單片機總的數據通信個數為40個,但是力控組態軟件每次最多能接收0x20個數據即32個數據,因此,40個數據需要分兩批傳送給力控組態軟件。單片機和力控組態軟件數據通信成功后,在力控的I/O監視器可以看到相應信息。

力控組態軟件讀數據命令格式說明如下。如[02H][00H][52H][01H][20H][00H][08H][03H] [7AH][0DH][0AH]。其中,[02H]為報文開始碼STX,[00H]為設備地址Sta,[52H]為讀標志R。[01H]為DataType,說明需要交換的數據類型為1個字節,[20H][00H]為數據偏移地址DataAddr,說明讀取的字節是從偏移地址0020H開始。[08H]為DataNum,說明傳輸的字節個數為8個。[03H]為報文結束碼ETX。[7AH]為LRC,表示較驗碼。[0DH]為回車,[0AH]為換行。

單片機接收到這個數據格式的報文后,會將8個數據通過RS-232接口傳送給力控組態軟件。當力控組態軟件收到傳送上來的單片機應答讀數據命令后,開始發送下一幀讀取數據命令格式。當單片機將數據傳輸到力控組態軟件后,力控組態軟件根據數據的組態,自動分配數據到相應的地址,并在相應地址中顯示出來[5]。

5.4 組態軟件發送寫命令

在力控組態軟件的畫面內改變某個數據后,力控組態軟件會向單片機系統發送寫數據命令格式。在寫數據命令格式這幀數據中,包含了力控組態軟件要寫的數據。當單片機正確接收到這幀數據并從中取出數據后,發送單片機應答寫數據格式,完成一次寫數據的操作。如把第10個數據的報警上限值修改為33,需要力控組態軟件向單片機發送寫數據命令格式。力控組態軟件向單片機發送寫數據命令格式如下所示。

其中,[02H]為報文開始碼STX,[00H]為設備地址Sta,[57H]為寫標志W,表明是寫數據命令報文。[01H]為DataType,表示需要交換的數據類型是1個字節。[1DH][00H]為數據偏移地址DataAddr,表明寫入數據的偏移地址是001DH,即寫入數據的偏移地址是十進制數29。在力控組態畫面中,組態的第十個數據的偏移地址即為29。[21H]為Data表示實際傳輸的數據,即寫入數據為十進制數33。[03H]為報文結束碼ETX,[6BH]為LRC,[0DH]為回車,[0AH]為換行。當數據下置成功后,I/O監視器上會顯示數據下置成功的信息。

6 結束語

本文設計了一種以單片機為核心的多點溫度監測系統,實現多點溫度顯示、遠傳、存儲以及溫度報警等功能,解決了單片機與力控組態軟件的數據通信問題。系統利用力控組態軟件強大的功能,使上位機顯示界面直觀、功能完善,畫面操作方便,人機交互好,實現了溫度數據的曲線顯示和數據的長期存儲。為了實現數據的遠距離傳輸,單片機與上位機之間采用RS-485進行通信。

上位機按照力控組態軟件的通信協議接收到單片機上傳的溫度數據后,利用力控組態軟件的功能實現對多點溫度信號的實時監測,同時實現溫度的報警、歷史數據的顯示以及系統運行情況的顯示等功能,具有較好的應用前景。

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[2] 盧超.基于PC機與單片機分布式溫度采集系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2007(2):35-38.

[3] 賈群.基于粒子群神經網絡的氣化爐溫度監測模型應用分析[J].中國儀器儀表,2013(2):37-38.

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Data Communication Between Multi-point Temperature Monitoring System and Configuration Software

In order to realize the function of multi-point temperature monitoring system,in accordance with the design of intelligent instrument and monitoring interface,it is necessary to achieve data communication between single chip machine(SCM)system and configuration software.The menu display is designed by using SCM.The composition of the multi-point temperature monitoring system and the design concept of the temperature measurement program are described.The format of the read data command and write data command of the force control configuration software are explained.The principle and implementing method for communication between SCM and force control configuration software and the methods of equipment configuration and data configuration are described.The draw up of the communication protocol between force control and SCM is expounded,and the flowchart of the data communication between SCM and force control cofiguration software is described.Through force control I/O equipment monitor,the whole process of the data transmission between force control configuration software is illustrated.

Configuration software Data communication Multi-point temperature monitoring Communication protocol Menu display

TP216+.1

A

北京市自然科學基金資助項目(編號:4122029);

檢測技術與自動化裝置重點學科建設資助項目(編號:PXM2014-014224-000018)。

修改稿收到日期:2014-03-26。

作者艾紅(1962-),女,1989年畢業于天津大學自動化儀表專業,獲碩士學位,副教授;主要從事自動化儀表方面的研究。