組態王與單片機多機串口通信的設計

1 引言
??? 隨著工業化要求提高，分布式系統發展以及控制設備與監控設備之間通訊需要，組態軟件設計的監控系統逐步普及。現在組態軟件繁多，比如KingVieW(組態王)、MCGS、WinCC等。KingView軟件基于Microsoft Windows XP，NT／2000操作系統．具有友好的人機操作界面、強大的IO設備端口驅動能力，可與各種PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等實時通訊。由于在檢測大量模擬量的工業現場使用PLC與組態軟件通訊勢必增加產品成本。而單片機接口豐富，與A／D轉換模塊組合可以完成相同的工作，并且系統可靠、成本低。

2 組態王與單片機的串口通訊方法
??? 目前，組態王與單片機的通信多是通過動態數據交換(DDE)或通過自己開發通訊驅動程序完成。DDE是Windows平臺上的一個完整的通信協議，組態王通過該協議與其他應用程序交換數據。但不可靠和非實時。而自己開發通訊驅動程序會帶來設計困難，增加系統開發周期，可行性不高。組態王專門提供一種與單片機多機串口通信方法，可滿足大多數系統需求。

3 PC機與單片機的硬件接口電路
??? 圖1為上位PC機與下位單片機80C51的連接電路。PC機與單片機本身都自帶串行通訊接口，但由于在分布式系統中PC機與各單片機的分布不集中，不能利用RS-232通訊傳輸，只能改用RS-485。RS-485采用差分式傳輸信號，最大傳輸距離為1 219 m．最大傳輸速率為10 Mb／s．對同時出現的兩條信號線A、B的干擾有較強的抑制能力。當兩條線絞在一起時，被通信各種分布參數耦合過來的干擾信號可平均地分配到這兩條線上，因此對RS-485的差分式傳輸線路而言，用雙絞線可獲得較強的抗干擾能力。RS-485采用二線與四線平衡傳輸方式，二線制可實現真正的多點雙向通信，但需要在傳輸線上接電阻(約120 Ω)。

??? 由于80C51系列單片機STC89C52串行接口的，TTL電氣特性與RS-485電氣特性不相符，STC89C52不能與RS-485直接連接，需要電氣轉換。這里采用Maxim公司的MAX485，圖2為其接口電路。

??? 圖2中，MAX485的RE和DE南STC89C52單片機的P1．7控制。由于MAX485以半雙工的方式工作，因此由P1．7控制其發送與接收。當 P1．7為高電平時，驅動器使能而接收器為高阻態，此時可發送數據；而當P1．7為低電平時．接收器使能而驅動器為高阻態，此時接收數據。另外由于PC機的COM口是基于RS-232的串行通訊口．其電氣特性與RS-485不一致，因此也需電平轉換。

??? 圖3為單片機地址設置電路，單片機STC89C52的P1口的低4位用于設定本機地址，通過4位DIP開關的組合最多可設定16種地址。如當4位開關全部斷開時，對應的本機地址是11 11。下位單片機在開始工作前需先設定自己的地址，這樣，在開機自檢時下位單機片就能獲取本機地址。

4 系統通訊協議設計
??? 組態王提供了通過PC機與單片機串口進行十六進制數據通訊的驅動，而驅動中已經規定好其通訊協議。

4．1 通訊參數
??? 通訊參數包括數據位、停止位、波特率、校驗方式。其中，數據位、停止位、波特率由單片機決定。組態王中的設定和單片機一致即可。校驗方式參照“數據傳輸格式”部分。
4．2 數據傳輸格式與協議說明
??? 格式1 組態王發送地址請求格式(檢驗位為1)：

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??? 格式2單片機應答地址格式(檢驗位為0)：

???

??? 格式3組態王讀數據請求格式(檢驗位為0)：

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??? 格式4單片機應答讀數據格式(正確)(檢驗位為O)：

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??? 格式5單片機應答讀數據格式(錯誤)(檢驗位為0)：

???
??? 格式6組態王寫數據請求格式(檢驗位為O)：

???
??? 格式7單片機應答寫數據格式(正確)(檢驗位為0)：

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協議具體說明如下：
ENQ(頭)：H05，詢問，請求幀的開始代碼；
ACK(頭)：H06，確認，ACK應答幀的開始代碼；
NAK(頭)：H15，否認，NAK應答幀的開始代碼；
EOT(尾)：H04，正文的結束，請求幀的結束ASCII代碼；
ETX(尾)：H03，結束正文，應答幀的結束ASCII代碼；
數據傳輸：所有數據均為16進制數；

Sta：設備地址，1個字節，組態王設備地址范圍為0～255，此地址為單片機的地址，由單片機中的程序決定；
R：讀標志，1個字節(0x52)；
W：寫標志，1個字節(0x57)；
DataType：需要交換的數據類型，1字節。其中“1”代表字節，“2”代表字，“3”代表浮點型；
DataNum：讀取數據的個數，1字節；
DataAddr：數據偏移地址，2字節，低字節在前，高字節在后；
Data：實際傳輸的數據，低字節在前，高字節在后；
DataLong：單片機返回Data的字節數，2字節，低字節在前，高字節在后：
CRC：為從第1個字節至CRC前的所有字節的異或值，1字節；
ErrorCode：錯誤代碼，“0”代表正確應答，“1”代表數據類型錯誤，“2”代表數據范圍超限，“3”代表指令無法識別。

5 單片機通訊程序流程設計
??? 圖4為組態王程序流程，圖5為單片機通訊程序流程。80C51系列單片機多機通訊可歸納如下：

??? 上位機的SM2=0，所有下位機的SM2=1，以便只接收上位機發來的地址；
??? 上位機給下位機發送地址時，第9數據位應該為1，以指示下位機接收這個地址；
??? 所有下位機在SM2=1，RB8=1和RI=0時，接收上位機發來的地址，進入相應中斷服務程序，并與本機地址相比較，以確認是否為被尋址的下位機；
??? 被尋址下位機通過指令清除SM2，以便正常接收上位機發送來的數據，并向上位機發回接收到的地址以便核實。未被尋址的下位機保持SM2=1，并退出各自的中斷服務程序；
??? 完成上位機和被尋址下位機之間的數據通信后，被尋址從機使SM2=1，并退出中斷服務程序，等待下次通信。

6 結束語
??? 該系統實現組態王軟件與單片機多機的實時通信，已經在實際項目中得到應用。應用的結果表明該設計方法簡單有效，實時性好，成本低廉，可以在控制與監控系統中推廣應用。