基于ＡＴ８９Ｃ５２網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余鳳翎　詹　彤　蔡智圣

摘 要：介紹一種基于AT89C52單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的智能化考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案,該系統(tǒng)通過采用RS 485現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)系統(tǒng)底層設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分的功能和實(shí)現(xiàn)的方案,重點(diǎn)介紹通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),該方案已成功應(yīng)用到電子設(shè)備故障檢修技能智能化考核設(shè)備,并已產(chǎn)品化。應(yīng)用結(jié)果表明,數(shù)據(jù)傳輸可靠,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,互換性及拓展性好,有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)；RS 485；通信網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-135-04

Design and Implementation Network Monitoring System Based on AT89C52

YU Fengling,ZHAN Tong,CAI Zhisheng

(Industry Center,Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou,510665,China)

Abstract：This paper presents the design and implementation of an intelligent test system which is based on network AT89C52.The system monitors the working conditions of the system basic equipment through the use of RS 485 fieldbus technology.Focusing on the design and implementation of communication system,it describes structure of the system,functions of each part and realization of the program as well.The program has been successfully applied to the intelligent examination equipment in testing electronic equipment Troubleshooting skills.And this equipment has already become products.The result shows that the data transmission,which is expandable,low cost,good interoperability and with simple structure,is reliable and has a broad application.

Keywords：AT89C52 single chip computer;RS 485;communication network;monitoring system

0 引 言

以電子設(shè)備故障檢修技能考核與訓(xùn)練智能化系統(tǒng)為例,介紹由一臺(tái)PC機(jī)與多臺(tái)單片機(jī)組成的主從式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),單片機(jī)控制作為下位機(jī),負(fù)責(zé)對(duì)電子設(shè)備故障點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,通過接口將結(jié)果傳給PC機(jī)；PC機(jī)作為上位機(jī),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,根據(jù)分析和處理的結(jié)果來(lái)控制單片機(jī)的操作。目前,應(yīng)用Visual C ++開發(fā)串行通信實(shí)現(xiàn)智能化考核和訓(xùn)練系統(tǒng)的通信方法通常有4種［1］：

(1) 調(diào)用API(Application Program Interface)函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

(2) 利用Visual C ++的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)-inp、-inpw等直接對(duì)串口進(jìn)行操作；

(3) 使用Visual C ++的通信控件(MSComm);

(4) 利用第三方編寫的通信類(Cserial)。

以上幾種方法中第一種方法使用面較廣,但由于需要許多低層設(shè)置,比較復(fù)雜,專業(yè)化程度要求較高,使用困難；第二種需要了解硬件電路結(jié)構(gòu)原理,較難掌握；第三種方法看來(lái)較簡(jiǎn)單,只需要對(duì)串口進(jìn)行簡(jiǎn)單配置,但使用了令人費(fèi)解WARIANT類,且不能滿足使用多個(gè)串口進(jìn)行復(fù)雜處理的需要；第四種方法是利用一個(gè)專門針對(duì)串行通信的CSerial類,該方法功能較強(qiáng),只要理解這種類的幾個(gè)成員函數(shù),就能方便使用。RS 485總線以其靈活性好、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、支持節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)、連接簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,上位機(jī)采用Visual C ++的Cserial類通信方式；下位機(jī)采用ATMEL公司的AT89C52單片機(jī),總線采用RS 485標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)基于RS 485現(xiàn)場(chǎng)總線,自定義通信協(xié)議,在總線上連接各下位機(jī)和上位機(jī),由上位機(jī)統(tǒng)一管理的主從式總線型的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括監(jiān)控層、通信層、以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層［1］。其中,監(jiān)控層由上位機(jī)(PC機(jī))承擔(dān),負(fù)責(zé)接收底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ),下位機(jī)參數(shù)的設(shè)定和修改,以及實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的查詢,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控管理；通信層通過自制定的通信協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,完成數(shù)據(jù)通信包的打包、拆包、檢驗(yàn)等處理；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由多臺(tái)電子設(shè)備、單片機(jī)、繼電器、鍵盤、LCD顯示器等組成的監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

上位機(jī)為教師操作的教學(xué)控制管理系統(tǒng),在微機(jī)上用Visual C ++編程實(shí)現(xiàn)功能。教學(xué)控制管理系統(tǒng)的主要功能為：

(1) 考試的技術(shù)準(zhǔn)備工作；

(2) 考試的監(jiān)考工作；

(3) 輔助完成其他考務(wù)信息管理工作。

根據(jù)功能要求,教學(xué)控制管理系統(tǒng)由通訊模塊、代碼編譯模塊、代碼執(zhí)行模塊、系統(tǒng)管理模塊、歷史資料查詢模塊組成,這幾個(gè)模塊和用戶界面用戶接口一起構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)軟件。

下位機(jī)作為這個(gè)分布式控制系統(tǒng)的學(xué)生客戶端,是一個(gè)基于AT89C52單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)、AT89C52單片機(jī)、光電耦合器、驅(qū)動(dòng)電路、繼電器、彩色電視機(jī)等組成的監(jiān)控系統(tǒng),通過局域網(wǎng),構(gòu)成一個(gè)智能化訓(xùn)練及鑒定系統(tǒng)。AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。

AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)與AT89C52單片機(jī)所構(gòu)成的多種微處理芯片混合的主從系統(tǒng),教師機(jī)是系統(tǒng)的上位機(jī),實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)交換、檢索、存儲(chǔ)、處理、更新圖形的顯示,對(duì)下位機(jī)(即學(xué)生機(jī))的控制和通信等控制。學(xué)生機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的處理。教師機(jī)作為主機(jī),學(xué)生機(jī)作為從機(jī)。主從機(jī)間的通信方式采用串行口方式。每一個(gè)訓(xùn)練或鑒定工位均有獨(dú)立的學(xué)生機(jī)和彩色電視機(jī),每臺(tái)學(xué)生機(jī)之間通過網(wǎng)線互聯(lián)。學(xué)生機(jī)通過繼電器控制彩色電視機(jī)故障點(diǎn)的狀態(tài)。

AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行軟、硬件開發(fā)。與單個(gè)獨(dú)立單片機(jī)系統(tǒng)不同,網(wǎng)絡(luò)中單片機(jī)不僅要按預(yù)先設(shè)計(jì)的程序工作,更多時(shí)候需要根據(jù)來(lái)自上位機(jī)的控制指令適時(shí)調(diào)整工作程序。實(shí)操訓(xùn)練或考試時(shí)下位機(jī)主要功能如下：

(1) 作為上位機(jī)的終端；

(2) 作為電子設(shè)備控制器；

(3) 提供考生交互界面；

(4) 其他監(jiān)考服務(wù)。

2 通信接口設(shè)計(jì)

通信接口是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間不斷地進(jìn)行信息交換和傳輸,而這種信息的交換和傳輸都必須通過通信接口和數(shù)據(jù)總線來(lái)實(shí)現(xiàn),通信接口器件和總線的合理選擇是單片機(jī)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換和傳輸順利進(jìn)行的前提和保障。

該系統(tǒng)采用RS 485總線組網(wǎng),上位機(jī)通過串行接口經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)RS 232總線和RS 232/RS 485轉(zhuǎn)換器將 RS 232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為RS 485標(biāo)準(zhǔn)電平與考生的下位機(jī)端通信；在下位機(jī)端SN75176將RS 485標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為TTL電平接入處理器的異步串行通信口(UART),實(shí)現(xiàn)RS 485網(wǎng)絡(luò)的半雙工通信。

RS 232/RS 485轉(zhuǎn)換器采用市場(chǎng)上即插即用型的產(chǎn)品,本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能控制收發(fā)使能,無(wú)須更改任何上位機(jī)硬件。上位機(jī)最多可連接32臺(tái)下位機(jī),如果在下位機(jī)端采用SN75184則上位機(jī)最多可連接64臺(tái)下位機(jī)。

RS 485接口電路的設(shè)計(jì)要充分考慮線路上的各種干擾及線路特征阻抗的匹配。信號(hào)在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生電磁干擾和終端反射,使有用信號(hào)與干擾信號(hào)在傳輸線上相疊加,當(dāng)干擾太大時(shí),可導(dǎo)致通信無(wú)法進(jìn)行。該系統(tǒng)選用SN75176 RS 485接口芯片,RS 485總線網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)采用帶有屏蔽層的雙絞線,并在傳輸線末端各安裝120 Ω匹配電阻,以消除傳輸線上信號(hào)的反射,通信距離可達(dá)到1 200 m。

3 通信協(xié)議

RS 485接口的軟件設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的可靠性有很大的影響。由于RS 485總線是異步半雙工的通信總線,在某一時(shí)刻總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài),所以這種方式使用于上位機(jī)與下位機(jī)的查詢方式通信,為了協(xié)調(diào)總線的分時(shí)復(fù)用,必須制定一套合理的通信協(xié)議,以保證數(shù)據(jù)通信的正常進(jìn)行。本系統(tǒng)通信協(xié)議是：波特率約定為9 600 b/s,T1工作于方式2,初值為FDH,SMOD=0。串行口初始化為方式3。通信格式要求如下：

通信數(shù)據(jù)格式總共24 b(二進(jìn)制),8 b識(shí)別碼, 8 b控制指令代碼,8 b故障點(diǎn)代碼,格式如下：

規(guī)定如下：

識(shí)別碼為下位機(jī)地址碼,地址范圍為70H~88H。

控制指令代碼為：字符“1”表示故障點(diǎn)短接,ASCII碼為“31H”；字符“0”表示故障點(diǎn)斷開,ASCII碼為“30H”。

(1) 上位機(jī)狀態(tài)字：

b₀:發(fā)卷指令標(biāo)志1,無(wú)發(fā)卷指令標(biāo)志0;

b₁:開考指令標(biāo)志1,無(wú)開考指令標(biāo)志0;

b₂:答題查詢指令標(biāo)志1,無(wú)答題查詢指令標(biāo)志0;

b₃:強(qiáng)行中止答題指令標(biāo)志1,無(wú)強(qiáng)行中止答題指令標(biāo)志0;

b₄:恢復(fù)答題指令標(biāo)志1,無(wú)恢復(fù)答題指令標(biāo)志0。

(2) 下位機(jī)狀態(tài)字：

b₀:登陸請(qǐng)求1,無(wú)登陸請(qǐng)求0；

b₁:已登陸狀態(tài)標(biāo)志1,未登陸狀態(tài)標(biāo)志0；

b₂:已收卷狀態(tài)標(biāo)志1,未收卷狀態(tài)標(biāo)志0；

b₃:開始答題狀態(tài)標(biāo)志1,未開始答題狀態(tài)標(biāo)志0；

b₄:交卷請(qǐng)求標(biāo)志1,無(wú)交卷請(qǐng)求標(biāo)志0；

b₅:已交卷標(biāo)志1,未交卷標(biāo)志0；

b₆:答題中止標(biāo)志1,答題恢復(fù)標(biāo)志0。

4 通信過程

上位機(jī)開機(jī)啟動(dòng)程序,上位機(jī)進(jìn)入輪詢過程。此時(shí),下位機(jī)開機(jī)登陸,在輪詢到自己時(shí),發(fā)出登陸信息,上位機(jī)收到后,進(jìn)行必要的登陸處理。在所有下位機(jī)登陸完畢后或監(jiān)考老師認(rèn)為收到所有考生的登陸信息后,按下發(fā)卷按鈕,對(duì)每一個(gè)登陸下位機(jī)依次發(fā)卷。發(fā)卷完畢后,由監(jiān)考老師按下開考按鈕,以廣播方式發(fā)出考試開始指令,下位機(jī)顯示考試題目,系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)。在考試進(jìn)行過程中,監(jiān)考老師可查詢?nèi)我粋€(gè)下位機(jī)的狀態(tài)(包括考生考試情況)；甚至可以啟動(dòng)自動(dòng)巡考指令,自動(dòng)巡視每個(gè)考生的答題情況?？荚囘^程中考生答題完畢可交卷,在考生按下交卷按鈕后交卷,發(fā)出交卷信息,上位機(jī)接收,并發(fā)出正確接收的回復(fù)信息。考試過程中,監(jiān)考老師發(fā)現(xiàn)有學(xué)生作弊,可隨時(shí)按下中止考試按鈕,中止此下位機(jī)的運(yùn)行,考試記零分?？荚嚂r(shí)間到,系統(tǒng)自動(dòng)判斷是否仍有考生沒有交卷,中止考生答卷,并取回相應(yīng)下位機(jī)的答題信息。上下位機(jī)基本輪詢及通信動(dòng)作示意圖如圖3所示。

上下位機(jī)通信動(dòng)作過程如下：

① 上位機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)主控端,以一定時(shí)間間隔dt1進(jìn)行輪詢。輪詢過程是這樣的：首先上位機(jī)查詢上位機(jī)狀態(tài)字,判斷是否存在通訊請(qǐng)求,如果沒有,就對(duì)輪詢到的下位機(jī)發(fā)出通訊授權(quán)標(biāo)志,若在延遲短暫時(shí)間后下位機(jī)無(wú)應(yīng)答,置此地址下位機(jī)不在線標(biāo)志,并中止此次輪詢；若有應(yīng)答則置與此下位機(jī)通訊的通道標(biāo)志。

② 下位機(jī)發(fā)出指令：表明下位機(jī)回復(fù)查詢指令,根據(jù)狀態(tài)字判斷下位機(jī)狀態(tài)。

③ 上位機(jī)發(fā)出指令：表明上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)的狀態(tài)字及上位機(jī)狀態(tài)字,按上位機(jī)有優(yōu)先原則,發(fā)出上位機(jī)準(zhǔn)備接收信息。

④ 下位機(jī)發(fā)出指令：上位機(jī)根據(jù)功能指令解析數(shù)據(jù),完成相應(yīng)的顯示及確認(rèn)回復(fù)。

⑤ 上位機(jī)發(fā)出指令：在從下位機(jī)向上位機(jī)傳輸信息過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),上位機(jī)將向下位機(jī)發(fā)出重發(fā)功能指令,重發(fā)次數(shù)確定根據(jù)調(diào)試過程確定。

在設(shè)計(jì)RS 485通信軟件時(shí),要注意對(duì)RS 485控制端的軟件編程。為了保證數(shù)據(jù)收發(fā)可靠,在RS 485總線狀態(tài)切換時(shí)需要加適當(dāng)?shù)难訒r(shí),延時(shí)一般控制在 1 ms左右,再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。經(jīng)過這樣處理后,使總線在狀態(tài)切換時(shí)有一個(gè)穩(wěn)定的工作過程。

5 上位機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)通信是采用一個(gè)專門針對(duì)串行通信的CSerial類進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的,該方法功能較強(qiáng),只要理解這種類的幾個(gè)成員函數(shù),就能方便使用。以下是幾個(gè)常用的成員函數(shù)［2］:

class CSerial

{

public:

CSerial()

~CSerial();

BOOL Open(int nPort=2,int nBaud=9600);

BOOL Close(void);

int ReadData(void *,int);

int SendData(const char *,int);

int ReadDataWaiting(void);

BOOL IsOpened(void){return(m_bOpened);}

protected:

BOOL WriteCommByte(unsigned char);

HANDLE m_hIDComDev;

OVERLAPPED m_OverlappedRead,m_OverlappedWrite;

BOOL m_bOpened;

具體程序代碼如下:

Void Ccom m Dlg::On Send()

{

Cse rial Serial;//構(gòu)造串口類,初始化串行口

If(Se rial.Open(2,9600))；//打開串行口2,波特率為9600bps

{

static chat szMessage［ ］="0";// 命令碼(可定義各種命令碼)

int nBytesSent;

int count=0;

resend:

nBytesSent=Serial.SendData(szMessage,strlen(szMessage));//發(fā)送命令碼

char rdMessage［20］;

if(Se rial.ReadDataWaiting())

{Se rial.ReadData(rdMessage,88);//rdMessage定義接收字節(jié)存儲(chǔ)區(qū),為全局變量

If((rdMessage［0］!=0*7f)&&(count＜3))

{

unt++;

goto resend

}

If(count＞=3)

MessageBox(“發(fā)送命令字失敗”);

}

Else

MessageBox(“接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤”);

}

Else MessageBox(“串行口打開失敗”);

}

6 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種基于AT89C52單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),該方案已成功應(yīng)用在電子產(chǎn)品故障檢修技能智能化考核系統(tǒng)中,并將其產(chǎn)品化,經(jīng)一年多來(lái)的使用,運(yùn)行可靠。此外,由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),靈活性強(qiáng),可根據(jù)用戶的實(shí)際需要,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)、不同品牌、不同功能的終端設(shè)備進(jìn)行控制。因此具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介

余鳳翎 女,廣東潮州人,碩士,教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制、電子技術(shù)。

詹 彤 男,廣州人,碩士,實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)。