余鳳翎　詹　彤　蔡智圣

摘 要：介紹一種基于AT89C52單片機網絡的智能化考試系統設計和實現方案,該系統通過采用RS 485現場總線技術對系統底層設備的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控。闡述了系統結構及各部分的功能和實現的方案,重點介紹通信系統的設計與實現,該方案已成功應用到電子設備故障檢修技能智能化考核設備,并已產品化。應用結果表明,數據傳輸可靠,結構簡單,成本低,互換性及拓展性好,有廣泛的應用價值。

關鍵詞：AT89C52單片機；RS 485；通信網絡；監(jiān)控系統

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：B

文章編號：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

以電子設備故障檢修技能考核與訓練智能化系統為例,介紹由一臺PC機與多臺單片機組成的主從式網絡通信系統,單片機控制作為下位機,負責對電子設備故障點進行數據采集和控制,通過接口將結果傳給PC機；PC機作為上位機,對數據進行分析和處理,根據分析和處理的結果來控制單片機的操作。目前,應用Visual C ++開發(fā)串行通信實現智能化考核和訓練系統的通信方法通常有4種［1］：

(1) 調用API(Application Program Interface)函數實現；

(2) 利用Visual C ++的標準通信函數-inp、-inpw等直接對串口進行操作；

(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置,比較復雜,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構原理,較難掌握；第三種方法看來較簡單,只需要對串口進行簡單配置,但使用了令人費解WARIANT類,且不能滿足使用多個串口進行復雜處理的需要；第四種方法是利用一個專門針對串行通信的CSerial類,該方法功能較強,只要理解這種類的幾個成員函數,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、支持節(jié)點多、傳輸距離遠、連接簡單的優(yōu)勢,被廣泛應用于網絡單片機系統。在該系統中,上位機采用Visual C ++的Cserial類通信方式；下位機采用ATMEL公司的AT89C52單片機,總線采用RS 485標準組網。

1 系統結構

整個系統是一個基于RS 485現場總線,自定義通信協議,在總線上連接各下位機和上位機,由上位機統一管理的主從式總線型的監(jiān)控系統。該系統包括監(jiān)控層、通信層、以及現場設備層［1］。其中,監(jiān)控層由上位機(PC機)承擔,負責接收底層現場設備上傳的數據,進行數據的分析和存儲,下位機參數的設定和修改,以及實時和歷史數據的查詢,實現對現場設備的監(jiān)控管理；通信層通過自制定的通信協議與現場下位機設備進行實時通信,完成數據通信包的打包、拆包、檢驗等處理；現場設備層由多臺電子設備、單片機、繼電器、鍵盤、LCD顯示器等組成的監(jiān)控系統。

系統結構方框圖如圖1所示。

上位機為教師操作的教學控制管理系統,在微機上用Visual C ++編程實現功能。教學控制管理系統的主要功能為：

(1) 考試的技術準備工作；

(2) 考試的監(jiān)考工作；

(3) 輔助完成其他考務信息管理工作。

根據功能要求,教學控制管理系統由通訊模塊、代碼編譯模塊、代碼執(zhí)行模塊、系統管理模塊、歷史資料查詢模塊組成,這幾個模塊和用戶界面用戶接口一起構成整個系統軟件。

下位機作為這個分布式控制系統的學生客戶端,是一個基于AT89C52單片機的應用系統。本系統使用計算機、AT89C52單片機、光電耦合器、驅動電路、繼電器、彩色電視機等組成的監(jiān)控系統,通過局域網,構成一個智能化訓練及鑒定系統。AT89C52單片機控制系統如圖2所示。

AT89C52單片機控制系統采用計算機與AT89C52單片機所構成的多種微處理芯片混合的主從系統,教師機是系統的上位機,實現人機交互和數據交換、檢索、存儲、處理、更新圖形的顯示,對下位機(即學生機)的控制和通信等控制。學生機完成數據的采集和信號的處理。教師機作為主機,學生機作為從機。主從機間的通信方式采用串行口方式。每一個訓練或鑒定工位均有獨立的學生機和彩色電視機,每臺學生機之間通過網線互聯。學生機通過繼電器控制彩色電視機故障點的狀態(tài)。

AT89C52單片機控制系統需要進行軟、硬件開發(fā)。與單個獨立單片機系統不同,網絡中單片機不僅要按預先設計的程序工作,更多時候需要根據來自上位機的控制指令適時調整工作程序。實操訓練或考試時下位機主要功能如下：

(1) 作為上位機的終端；

(2) 作為電子設備控制器；

(3) 提供考生交互界面；

(4) 其他監(jiān)考服務。

2 通信接口設計

通信接口是單片機控制系統的重要組成部分。單片機與計算機之間不斷地進行信息交換和傳輸,而這種信息的交換和傳輸都必須通過通信接口和數據總線來實現,通信接口器件和總線的合理選擇是單片機控制系統中數據交換和傳輸順利進行的前提和保障。

該系統采用RS 485總線組網,上位機通過串行接口經標準RS 232總線和RS 232/RS 485轉換器將 RS 232標準電平轉換為RS 485標準電平與考生的下位機端通信；在下位機端SN75176將RS 485標準電平轉換為TTL電平接入處理器的異步串行通信口(UART),實現RS 485網絡的半雙工通信。

RS 232/RS 485轉換器采用市場上即插即用型的產品,本身已經實現智能控制收發(fā)使能,無須更改任何上位機硬件。上位機最多可連接32臺下位機,如果在下位機端采用SN75184則上位機最多可連接64臺下位機。

RS 485接口電路的設計要充分考慮線路上的各種干擾及線路特征阻抗的匹配。信號在傳輸過程中會產生電磁干擾和終端反射,使有用信號與干擾信號在傳輸線上相疊加,當干擾太大時,可導致通信無法進行。該系統選用SN75176 RS 485接口芯片,RS 485總線網絡的通信介質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的反射,通信距離可達到1 200 m。

3 通信協議

RS 485接口的軟件設計對系統聯網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,在某一時刻總線只可能呈現一種狀態(tài),所以這種方式使用于上位機與下位機的查詢方式通信,為了協調總線的分時復用,必須制定一套合理的通信協議,以保證數據通信的正常進行。本系統通信協議是：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：

通信數據格式總共24 b(二進制),8 b識別碼, 8 b控制指令代碼,8 b故障點代碼,格式如下：

規(guī)定如下：

識別碼為下位機地址碼,地址范圍為70H~88H。

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

(1) 上位機狀態(tài)字：

b₀:發(fā)卷指令標志1,無發(fā)卷指令標志0;

b₁:開考指令標志1,無開考指令標志0;

b₂:答題查詢指令標志1,無答題查詢指令標志0;

b₃:強行中止答題指令標志1,無強行中止答題指令標志0;

b₄:恢復答題指令標志1,無恢復答題指令標志0。

(2) 下位機狀態(tài)字：

b₀:登陸請求1,無登陸請求0；

b₁:已登陸狀態(tài)標志1,未登陸狀態(tài)標志0；

b₂:已收卷狀態(tài)標志1,未收卷狀態(tài)標志0；

b₃:開始答題狀態(tài)標志1,未開始答題狀態(tài)標志0；

b₄:交卷請求標志1,無交卷請求標志0；

b₅:已交卷標志1,未交卷標志0；

b₆:答題中止標志1,答題恢復標志0。

4 通信過程

上位機開機啟動程序,上位機進入輪詢過程。此時,下位機開機登陸,在輪詢到自己時,發(fā)出登陸信息,上位機收到后,進行必要的登陸處理。在所有下位機登陸完畢后或監(jiān)考老師認為收到所有考生的登陸信息后,按下發(fā)卷按鈕,對每一個登陸下位機依次發(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,下位機顯示考試題目,系統開始計時。在考試進行過程中,監(jiān)考老師可查詢任一個下位機的狀態(tài)(包括考生考試情況)；甚至可以啟動自動巡考指令,自動巡視每個考生的答題情況?？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,上位機接收,并發(fā)出正確接收的回復信息?？荚囘^程中,監(jiān)考老師發(fā)現有學生作弊,可隨時按下中止考試按鈕,中止此下位機的運行,考試記零分。考試時間到,系統自動判斷是否仍有考生沒有交卷,中止考生答卷,并取回相應下位機的答題信息。上下位機基本輪詢及通信動作示意圖如圖3所示。

上下位機通信動作過程如下：

① 上位機作為網絡主控端,以一定時間間隔dt1進行輪詢。輪詢過程是這樣的：首先上位機查詢上位機狀態(tài)字,判斷是否存在通訊請求,如果沒有,就對輪詢到的下位機發(fā)出通訊授權標志,若在延遲短暫時間后下位機無應答,置此地址下位機不在線標志,并中止此次輪詢；若有應答則置與此下位機通訊的通道標志。

② 下位機發(fā)出指令：表明下位機回復查詢指令,根據狀態(tài)字判斷下位機狀態(tài)。

③ 上位機發(fā)出指令：表明上位機根據下位機的狀態(tài)字及上位機狀態(tài)字,按上位機有優(yōu)先原則,發(fā)出上位機準備接收信息。

④ 下位機發(fā)出指令：上位機根據功能指令解析數據,完成相應的顯示及確認回復。

⑤ 上位機發(fā)出指令：在從下位機向上位機傳輸信息過程中出現錯誤時,上位機將向下位機發(fā)出重發(fā)功能指令,重發(fā)次數確定根據調試過程確定。

在設計RS 485通信軟件時,要注意對RS 485控制端的軟件編程。為了保證數據收發(fā)可靠,在RS 485總線狀態(tài)切換時需要加適當的延時,延時一般控制在 1 ms左右,再進行數據的收發(fā)。經過這樣處理后,使總線在狀態(tài)切換時有一個穩(wěn)定的工作過程。

5 上位機通信軟件的設計

上位機通信是采用一個專門針對串行通信的CSerial類進行程序設計的,該方法功能較強,只要理解這種類的幾個成員函數,就能方便使用。以下是幾個常用的成員函數［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(“接收數據錯誤”);

}

Else MessageBox(“串行口打開失敗”);

}

6 結 語

提出了一種基于AT89C52單片機網絡通信系統的軟硬件設計,該方案已成功應用在電子產品故障檢修技能智能化考核系統中,并將其產品化,經一年多來的使用,運行可靠。此外,由于系統采用模塊化設計,靈活性強,可根據用戶的實際需要,實現對不同型號、不同品牌、不同功能的終端設備進行控制。因此具有較高的應用價值和推廣價值。

參考文獻

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作者簡介

余鳳翎 女,廣東潮州人,碩士,教授。主要研究方向為計算機控制、電子技術。

詹 彤 男,廣州人,碩士,實驗師。主要研究方向為電子技術。