專利名稱：Rs－485總線式測控系統(tǒng)中的即插即用測控模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測控模塊，更具體地說，是一種應(yīng)用在以主機(jī)為中心，配以各種測控模塊構(gòu)成的測控系統(tǒng)中的測控模塊。
測控系統(tǒng)廣泛用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、過程控制系統(tǒng)、能源管理、安全系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化、智能大廈以及產(chǎn)品性能測試等領(lǐng)域。在這類測控系統(tǒng)中，測控模塊是通過一對雙絞線完成與主機(jī)通訊，各模塊并聯(lián)在總線上。測控模塊在工作之前，除了對其輸入/輸出類型、輸入/輸出范圍等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置外，還必須對其地址、通訊波特率進(jìn)行配置。監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)模塊的波特率可以相同，但模塊的地址不得重復(fù)。因此，模塊使用前或使用中，對于模塊地址的分配和波特率的確定是系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要保證。
現(xiàn)有技術(shù)在每個(gè)測控模塊接入監(jiān)控系統(tǒng)前，必須通過人工的方式，單獨(dú)對其進(jìn)行參數(shù)配置，使得接入監(jiān)控系統(tǒng)的每個(gè)模塊都有確定的波特率和不相同的地址，即模塊的波特率和地址均是已知的，這樣主機(jī)才能識別每一個(gè)測控模塊并使之工作。當(dāng)有多個(gè)波特率和地址均是未知的測控模塊接入監(jiān)控系統(tǒng)后，由于可能存在測控模塊的地址相同的情況(一般出廠時(shí)模塊地址缺省設(shè)置是相同的)，主機(jī)發(fā)出一個(gè)命令，就會同時(shí)有多個(gè)測控模塊響應(yīng)，而造成數(shù)據(jù)沖突(即總線競爭)；或者由于主機(jī)通訊波特率與模塊不同，使得二者通訊無法進(jìn)行。所以，如果沒有人工單獨(dú)地對每一個(gè)模塊進(jìn)行地址分配和波特率設(shè)定，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將無法工作。這種人工設(shè)置對于用戶而言，使監(jiān)控系統(tǒng)的安裝顯得既麻煩又費(fèi)時(shí)。
本實(shí)用新型的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種RS-485總線式測控系統(tǒng)中的即插即用測控模塊。以解決模塊波特率自適應(yīng)和總線競爭的技術(shù)方法，來實(shí)現(xiàn)測控模塊的即插即用功能，對于地址和波特率不詳?shù)臏y控模塊，在其接入運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)波特率集的監(jiān)控系統(tǒng)后，測控模塊具有自動(dòng)調(diào)整自身波特率與系統(tǒng)相匹配的能力；同時(shí)，在有多個(gè)測控模塊接入系統(tǒng)后，模塊具有與系統(tǒng)相匹配的自動(dòng)識別能力。本實(shí)用新型具有特定電路結(jié)構(gòu)的測控模塊是解決上述問題的重要基礎(chǔ)。
本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型測控模塊，其內(nèi)置單片機(jī)U1，由電容C1、C2、晶體振蕩器X1與單片機(jī)U1的內(nèi)部電路構(gòu)成振蕩電路，采用非易失性存儲器U3，異步通信串行接口，包括信號接收端RXD和信號發(fā)送端TXD，其特征是所述信號接收端RXD另有一路通過同相器U5與單片機(jī)U1的外部中斷INTO端相連接。
具有所述結(jié)構(gòu)的本實(shí)用新型測控模塊，在相應(yīng)軟件的支持下，能可靠地完成測控模塊與主機(jī)的波特率自適應(yīng)；主機(jī)對其總線上各測控模塊的識別及注冊，以及測控模塊按系統(tǒng)主機(jī)分配的參數(shù)進(jìn)行配置。
與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型提供了模塊波特率自適應(yīng)功能，在測控系統(tǒng)中無論是由于現(xiàn)場強(qiáng)干擾使模塊波特率代碼丟失，或是由于主機(jī)的波特率發(fā)生變化，造成模塊與主機(jī)不能正常通訊的情況時(shí)，本實(shí)用新型都能夠做到自動(dòng)識別并快速與主機(jī)相匹配，盡快恢復(fù)與主機(jī)的通訊。從而避免或盡可能減少測控系統(tǒng)失控而造成的不良后果，極大地提高了系統(tǒng)的工作可靠性。
2、本實(shí)用新型中的模塊即插即用功能使得模塊的使用更為簡單、便利，大大降低了對模塊使用人員技術(shù)水平的要求。
3、本實(shí)用新型測控模塊自身結(jié)構(gòu)簡單，幾乎不增加硬件成本。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型應(yīng)用在測控系統(tǒng)中的系統(tǒng)框圖。
圖3為本實(shí)用新型應(yīng)用在測控系統(tǒng)中的信號傳輸時(shí)序圖。
圖4為本實(shí)用新型應(yīng)用在測控系統(tǒng)中波特率自適應(yīng)流程圖。
以下通過實(shí)施例，結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例
參見圖1，本實(shí)施例中的即插即用測控模塊，其內(nèi)置單片機(jī)U189C52，由電容C1、C2、晶體振蕩器X1與單片機(jī)U1的內(nèi)部電路構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生CPU工作的時(shí)鐘信號。采用非易失性存儲器U3 X25045，用以保存模塊的波特率和地址信息，模塊掉電時(shí)，其保存的信息不會丟失。U3與CPU的P20～24和RESET口線相連。本實(shí)施例采用異步通信串行接口包括信號接收端RXD和信號發(fā)送端TXD，如圖所示，在信號接收端RXD另有一路通過同相器U5 7407與單片機(jī)U1的外部中斷INTO端相連接。
當(dāng)CPU將數(shù)據(jù)寫入E2PROM時(shí)，U3的CS片選置為0電平，WP寫保護(hù)置為1電平，數(shù)據(jù)隨SCK時(shí)鐘信號，通過串行數(shù)據(jù)輸入口SI管腳寫入E2PROM。當(dāng)CPU從E2PROM讀取數(shù)據(jù)時(shí)，CS片選置為0電平，WP置為0電平，數(shù)據(jù)隨SCK時(shí)鐘信號，通過串行數(shù)據(jù)輸出口SO管腳讀入CPU。
圖中，U4 RS485為通訊收發(fā)器，其接收發(fā)送端RO、DI分別與CPU串口的接收發(fā)送端RxD、TxD相連，通訊收發(fā)器的使能端RE、DE分別與CPU P1口的P16 P17口線相連，U4 RS485通訊收發(fā)器的引腳說明如下RO—接收數(shù)據(jù)端RE—接收數(shù)據(jù)使能端，低電平有效DE—發(fā)送數(shù)據(jù)使能端，高電平有效DI—發(fā)送數(shù)據(jù)端DATA(-)—接RS-485網(wǎng)絡(luò)的正端，數(shù)據(jù)傳輸端DATA(+)—接RS-485網(wǎng)絡(luò)的負(fù)端，數(shù)據(jù)傳輸端當(dāng)CPU通過P16 P17口線將RE置為1電平、DE置為1電平，U4 RS485通訊收發(fā)器處于發(fā)送狀態(tài)，CPU數(shù)據(jù)可通過DI管腳發(fā)送到RS-458總線上；當(dāng)RE置為0電平、DE置為0電平，U4 RS485通訊收發(fā)器處于接收狀態(tài)，RS-458總線上數(shù)據(jù)CPU可通過RO管腳讀入；當(dāng)RE置為0電平、DE置為1電平，U4 RS485通訊收發(fā)器同時(shí)處于發(fā)送和接收狀態(tài)。
偵聽RS-485通訊線有無收發(fā)信息的工作原理是CPU首先通過P16P17口線將U4 RS485通訊收發(fā)器置于接收狀態(tài)，CPU 89C52中斷0(INT0)設(shè)置為信號的下降沿觸發(fā)；由于串口通訊每幀的啟始位電平總是由高電平跳至到低電平，當(dāng)通訊線上有收發(fā)信息時(shí)，該跳變信號經(jīng)U4 RS485收發(fā)器RO管腳、U5A 7407同相器傳送到INT0中斷口線，引起CPU 89C52產(chǎn)生中斷；反之，通訊線上沒有收發(fā)信息，CPU 89C52就不會產(chǎn)生中斷。
解決數(shù)據(jù)沖突的工作原理是接在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的RS-485總線上的每個(gè)模塊，在其發(fā)送信息之前，為避免由于競爭引起的數(shù)據(jù)沖突，首先使用上面所述的偵聽技術(shù)，偵聽RS-485總線上是否有信息在發(fā)送，如果RS-485總線是空閑的，則可以發(fā)送；如果RS-485總線是忙的，則等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間間隔后重新再試。當(dāng)CPU 89C52準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先通過CPU的P16和P17口線，將U4 RS485收發(fā)器的發(fā)送和接收功能同時(shí)使能，即U4RS495通訊收發(fā)器同時(shí)處于發(fā)送和接收狀態(tài)，使CPU能夠邊發(fā)送數(shù)據(jù)、邊接收數(shù)據(jù)，在CPU 89C52把數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，CPU將發(fā)送的數(shù)據(jù)與同時(shí)接收回來的數(shù)據(jù)按位比較，若不一致，就說明RS-485總線上的數(shù)據(jù)已產(chǎn)生了沖突，則CPU 89C52重復(fù)上述過程；若一致，即數(shù)據(jù)傳輸成功，總線無數(shù)據(jù)沖突。
參見圖2，應(yīng)用系統(tǒng)是以主機(jī)為中心，配以分布在各處的測控模塊。圖中，CESN-2520為RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換模塊，CESN-2510為中繼模塊，CESN-2000系列為測控模塊。主機(jī)與測控模塊的通訊遵循主從式、ASCⅡ碼命令/響應(yīng)通訊協(xié)議。測控模塊與主機(jī)之間的通訊波特率采用1200、2400、4800、9600、19.2K、38.4K、57.6K、115.2Kbps(其代碼分別為03、04、05、06、07、08、09、0A)標(biāo)準(zhǔn)波特率集中的一個(gè)進(jìn)行通訊。
針對本實(shí)施例中測控系統(tǒng)，其相應(yīng)的以軟件實(shí)現(xiàn)的即插即用法包括三個(gè)步序測控模塊與主機(jī)的波特率自適應(yīng)；主機(jī)對其總線上各測控模塊的識別及注冊；測控模塊按系統(tǒng)主機(jī)分配的參數(shù)進(jìn)行配置。
關(guān)于測控模塊與主機(jī)的波特率自適應(yīng)。首先按E2PROM內(nèi)貯存的波特率代碼進(jìn)行模塊通訊波特率的配置，然后偵聽RS-485通訊線上有無主機(jī)與測控模塊的收發(fā)信息；當(dāng)RS-485通訊線上沒有收發(fā)信息，模塊不進(jìn)入波特率檢測程序；而當(dāng)RS-485通訊線上有收發(fā)信息，模塊又無法收到有效數(shù)據(jù)，則說明測控模塊的波特率與主計(jì)算機(jī)的波特率不同，此時(shí)測控模塊自動(dòng)進(jìn)入波特率檢測程序，變換當(dāng)前波特率，直至能收到有效的數(shù)據(jù)為止。這時(shí)測控模塊將此時(shí)通訊波特率設(shè)定為當(dāng)前工作的波特率，并將這個(gè)波特率代碼存入E2PROM中。具體方法為a、實(shí)現(xiàn)測控模塊對RS-485總線上有無信息傳送的偵聽。
其原理如前所述。當(dāng)采用異步串行方式通訊時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的每一幀包含1位啟始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，如圖3所示。每幀信號的開始電平總是由高電平跳至低電平。當(dāng)通訊線上有收發(fā)信息時(shí)，引起CPU 89C52產(chǎn)生中斷。反之，通訊線上沒有收發(fā)信息，CPU 89C52就不會產(chǎn)生中斷。
b、以測控模塊能否接收到RS-485總線上傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)來判斷該測控模塊的波特率與主機(jī)是否相適應(yīng)；當(dāng)模塊偵聽到總線上有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，產(chǎn)生INT0中斷，這時(shí)串行口開始一條命令數(shù)據(jù)的接收，如果模塊在足夠長的延時(shí)時(shí)間內(nèi)接收不到有效數(shù)據(jù)，可以斷定模塊的波特率與主計(jì)算機(jī)不相適應(yīng)。只有當(dāng)模塊接收到一組有效數(shù)據(jù)時(shí)，才能夠得出模塊與主計(jì)算機(jī)波特率相適應(yīng)的結(jié)論。
對模塊所接收的命令數(shù)據(jù)是否有效的判斷方法如下首先對主機(jī)的有效命令格式進(jìn)行分析，主機(jī)向模塊發(fā)布命令的格式為定義符地址命令數(shù)據(jù)結(jié)束符其中定義符取值可以是$或#或％或@地址碼取值范圍00～FFH命令內(nèi)容命令不同，其取值范圍和字節(jié)長度也不相同。
數(shù)據(jù)碼數(shù)據(jù)不同，其取值范圍和字節(jié)長度也不相同結(jié)束符(cr)回車?yán)?230(cr)其中，$為定義符，23為地址碼，0為命令碼，(cr)為結(jié)束符。
模塊與主計(jì)算機(jī)的通訊遵循ASCⅡ碼命令/響應(yīng)協(xié)議，即主計(jì)算機(jī)把將要向模塊傳輸?shù)拿钜訟SCⅡ碼的形式傳送給模塊，每一幀傳送一位ASCⅡ碼，直至命令結(jié)束。
上例命令中，主機(jī)向模塊傳送命令以從左到右的順序?qū)?、2、3、0、(cr)這五個(gè)字符分為5幀傳送，每一幀傳送值分別為對應(yīng)字符的ASCⅡ碼。
通過對主機(jī)與模塊通訊的命令格式和通訊協(xié)議進(jìn)行分析，得出主計(jì)算機(jī)有效命令數(shù)據(jù)具有下列四個(gè)特征1、主機(jī)命令的第一幀數(shù)據(jù)必定為命令定義符$、或#、或％、或@的ASCⅡ碼。
2、第二幀數(shù)據(jù)和第三幀數(shù)據(jù)的取值有兩種可能(1)、為**的ASCⅡ碼。
(2)、為模塊地址的ASCⅡ碼，地址的取值范圍00～FF。
3、命令的最后一幀數(shù)據(jù)必定為(cr)的ASCⅡ碼4、主機(jī)的每一條命令，都是由若干幀數(shù)據(jù)組成的；由于命令的長短不同，所以模塊所接收的數(shù)據(jù)幀數(shù)也不相同，但每一幀數(shù)據(jù)均為ASCⅡ碼。
在得知主機(jī)命令的四個(gè)特征后，根據(jù)這四個(gè)特征對模塊所接收到的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以確定是否為有效的主機(jī)命令代碼。只有當(dāng)確定模塊接收到了一條完整的主計(jì)算機(jī)命令時(shí)，說明模塊與主計(jì)算機(jī)的波特率相適應(yīng)；否則，說明模塊的波特率與主機(jī)不相適應(yīng)。
c、測控模塊自動(dòng)調(diào)整直至與主機(jī)波特率相匹配。
在上述兩步判斷的基礎(chǔ)上，可以得出模塊與主計(jì)算機(jī)的波特率是否適應(yīng)，如相適應(yīng)，則將目前模塊的波特率代碼寫入E2PROM中，如果不適應(yīng)，則變換模塊的標(biāo)準(zhǔn)波特率代碼，再重復(fù)以上二步驟，直到模塊的波特率與主機(jī)相適應(yīng)為止。然后將正確的波特率代碼存入E2PROM中。
至此，模塊的波特率自適應(yīng)功能完成。
模塊波特率自適應(yīng)流程圖，如圖4所示。
關(guān)于主機(jī)對其總線上各測控模塊的識別及注冊a、置測控系統(tǒng)運(yùn)行軟件以及每一測控模塊各自唯一的代碼。
模塊實(shí)現(xiàn)即插即用的過程，實(shí)質(zhì)是模塊與系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)相互識別的過程，為了便于二者間的相互辨別，對于每個(gè)模塊均有一組唯一的代碼，其格式及代表的意義為模塊型號年(2位)月(2位)日(2位)序號(3位)例如2011 00 01 23 480其中2011模塊型號00:2000年01:1月23:23日480序號對于每個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的軟件也有一組唯一的代碼，該代碼借鑒了組件(COM)規(guī)范中唯一標(biāo)識符產(chǎn)生的原理，軟件的唯一代碼為25位長的字符串(0～9,A～W 32進(jìn)制)。
b、測控模塊對RS-485總線上有無信息傳送的偵聽。
測控模塊即插即用的實(shí)現(xiàn)，除了解決通訊波特率的問題，還必須解決總線競爭的問題。同樣使用圖1所示電路的偵聽技術(shù)。當(dāng)通訊線上有收發(fā)信息，引起CPU 89C52產(chǎn)生中斷；反之，通訊線上沒有收發(fā)信息，CPU 89C52就不會產(chǎn)生中斷。
c、置測控模塊的CPU串口為邊發(fā)送邊接收狀態(tài)，在總線空閑時(shí)，由模塊發(fā)送其本身對應(yīng)的代碼信息，并同時(shí)將發(fā)送的信息與接收到的反饋信息按位比較，若一致，即信息傳輸成功，總線無數(shù)據(jù)沖突。通過偵聽，如果RS-485總線是空閑的，則測控模塊可以發(fā)送信息；如果總線是忙的，則等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間間隔后重新再試。當(dāng)測控模塊CPU89C52準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先通過CPU的P16和P17口線，將U4 RS485收發(fā)器的發(fā)送和接收功能同時(shí)使能，使CPU處于邊發(fā)送邊接收的狀態(tài)，在CPU 89C52把數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，CPU將已發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)按位比較，若不一致，就說明RS-485總線上的數(shù)據(jù)已產(chǎn)生了沖突，則CPU89C52重復(fù)上述過程，直至比較結(jié)果一致。
d、主機(jī)向總線發(fā)布由查詢碼和主機(jī)軟件代碼構(gòu)成的模塊查詢命令，測控模塊將該命令信息與其自身對主機(jī)軟件代碼的記錄比較，以完成主機(jī)對于測控模塊的識別；在解決總線競爭、模塊與軟件唯一代碼問題后，對于具有即插即用功能的測控模塊，用戶可以將其接入或移出RS-485總線，而不需要重新啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行修改或調(diào)整配置參數(shù)。對于安裝好的、以RS-485總線為通訊通道的監(jiān)控系統(tǒng)，不管系統(tǒng)是首次運(yùn)行或系統(tǒng)已在運(yùn)行中，此時(shí)加入測控模塊，無論模塊是第一次使用，還是曾經(jīng)使用過，當(dāng)該模塊接入監(jiān)控系統(tǒng)的RS-485總線上后，系統(tǒng)均會找到新加入的模塊并識別它。具體方法是系統(tǒng)主機(jī)總以一定的時(shí)間間隔，以廣播方式向總線發(fā)布模塊查詢命令，查詢廣播命令由查詢碼和主機(jī)軟件代碼(簡稱為主機(jī)碼)組成，總線上所有測控模塊在收到查詢廣播命令后，首先，判別主機(jī)碼是否與模塊本身記錄的主機(jī)碼相同，若比較結(jié)果相同，測控模塊無響應(yīng)，反之，測控模塊向主機(jī)發(fā)送模塊代碼以及模塊當(dāng)前的參數(shù)配置狀態(tài)。
此外，若有模塊從RS-485總線上移出，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，將采用點(diǎn)名方式檢查總線上模塊的存在情況，若經(jīng)多次點(diǎn)名確認(rèn)，對已從RS-485總線上移出的模塊，主機(jī)將移出的模塊從注冊表中刪除。
關(guān)于對于測控模塊的參數(shù)配置模塊與主機(jī)經(jīng)相互識別后，主機(jī)根據(jù)現(xiàn)有模塊的注冊以及地址資源的使用情況，向?qū)?yīng)的模塊發(fā)送配置命令，該配置命令包含有配置命令碼、模塊代碼、模塊地址碼、波特率代碼和主機(jī)碼。
當(dāng)接在監(jiān)控系統(tǒng)RS-485總線上的所有模塊接收到配置命令后，各模塊將配置命令中的模塊代碼與本身的模塊代碼進(jìn)行比較，若比較結(jié)果相同，則模塊把新的模塊地址碼、波特率代碼和主機(jī)碼寫入E2PROM中并重新初始化，按新的配置開始工作。從而實(shí)現(xiàn)即插即用的功能。
權(quán)利要求1.一種RS-485總線式測控系統(tǒng)中的即插即用測控模塊，其內(nèi)置單片機(jī)U1，由電容C1、C2、晶體振蕩器X1與單片機(jī)U1的內(nèi)部電路構(gòu)成振蕩電路，采用非易失性存儲器U3，異步通信串行接口，包括信號接收端RXD和信號發(fā)送端TXD，其特征是所述信號接收端RXD另有一路通過同相器U5與單片機(jī)U1的外部中斷INTO端相連接。
專利摘要RS—485總線式測控系統(tǒng)中的即插即用測控模塊,其內(nèi)置單片機(jī),由電容、晶體振蕩器與單片機(jī)的內(nèi)部電路構(gòu)成振蕩電路,采用非易失性存儲器,異步通信串行接口包括信號接收端和發(fā)送端,其特征是所述信號接收端另有一路通過同相器與單片機(jī)的外部中斷相接。即插即用功能使模塊的使用更為簡單、便利。
文檔編號G06F13/38GK2450713SQ0022174
公開日2001年9月26日 申請日期2000年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月11日
發(fā)明者袁廷華 申請人:合肥創(chuàng)源智能網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司