一種485總線式監控系統及其高可擴展性方法

2023-12-03 12:23:11

專利名稱：：一種485總線式監控系統及其高可擴展性方法
技術領域：
：本發明涉及一種485總線式監控系統的靈活配置方法，通過支持節點熱拔插的技術實現系統的高可擴展性。技術背景在多節點的工業監控領域，485總線系統是比較常用的低成本的解決方案。雖然比起CAN總線支持競爭性數據傳輸的的數據鏈路層協議，485總線僅僅停留在物理層的規範上，顯得簡陋不堪，但其低成本、設計簡單的優勢使它依然擁有廣泛的應用。485總線結構最大的弱點就在於總線的獨佔性。485僅支持一主多從的總線結構，總線上只能有一個主設備，多個從設備掛接在總線上。在同一時刻，只有-個設備可以佔用總線發送數據，其他設備只能接收數據，因此，從設備之間不能直接通訊，而要經過主設備做為中轉；同時，從設備和主設備間的通訊也必須由主設備發起。這給多節點監控系統的應用帶來了極大的不便當系統中加入新節點時，通訊必須由主設備發起，而主設備卻無法知道有新設備加入，要使新設備進入正常的工作，必須修改主設備和新設備兩端的驅動程序，來達成對新設備的識別；當從設備發生損壞被替換或總線拓撲結構發生改變時，同樣需要對收發兩端的驅動程序進行修改。這相當於用人工方式來通知主設備系統結構的變化，在監控現場，這是非常繁瑣而不切實際的。人們需要的是一種簡便靈活的系統擴展方式，485設備可以自由的加入或撤出系統，而不需要負載的設置。現有的技術使用兩種方法解決這個問題。第一種方法是對485接口電路加以改造，設計總線佔用檢測模塊，可對總線佔用狀態進行檢測，若總線被佔用，則等待一段時間後繼續檢測，若總線空閒則發送數據。這實際上是使一主多從的非競爭式的總線訪問方式改變為多主結構的競爭式訪問方式。它的問題是第一，增加了電路的設計難度，提高了成本；第二，當節點數目少，通訊不頻繁的情況下，這種方式會有不錯的效果，但是在節點數目多，通訊密度大的情形下，就增加了總線衝突和等待的次數和時間，導致降低系統的工作效率，而且這種效率的降低程度是不可預知的。第二種方法是保持一主多從的非競爭式訪問方式，在485從設備加入系統時，由主設備對它進行識別和系統配置，實現即插即用。這種方法是比較合理和理想的，但在目前的技術實現方法中有一個前提，即主設備事先必須知道從設備的固定代碼，在此基礎上對從設備進行識別和配置。這就存在一個瓶頸，即當系統擴容或設備損壞、更換新設備時，主設備就不能對從設備進行自動識別和配置了。因此是一臺主機對應若干已知設備的應用，擴展性並不強。
發明內容本發明提出了一種485總線式監控系統及其高可擴展性方法，木發明的方法是按以下方式實現的，設備包括主設備節點和從設備節點，在不需要進行額外人工配置的情況下，主設備節點可對從設備節點的加入和退出系統進行監管；從設備節點的數量也可以靈活的增加或減少，進行熱拔插，不必考慮設備地址的衝突和主設備節點對其識別的問題。實現了485總線式監控系統中被控節點的可高擴展性和適應性。主設備節點和從設備節點均使用等效於1/4標準負載的485接口晶片MAX487，採用固定波特率進行通訊，系統的最大節點容量為128個。主設備節點置有可視化監控軟體和存儲器，可對從設備節點的狀態進行監控，記錄並存儲其數據參數。所有節點的485總線收發模塊都設有保護電路，利用穩壓二極體的反向擊穿電壓對485接口晶片進行保護。從設備節點內部採用E2PR0M保存節點地址信息，該地址出廠設置為0。當主設備節點為其分配了新地址後，將初始地址0覆蓋。從設備節點還設計有一位復位開關，分為Reset和Normal兩檔。當開關處於Reset檔時，節點地址恢復出廠設置，當處於Normal檔時，為正常操作狀態。該復位開關使節點可以不受地址限制，自由靈活的加入或撤出總線。從節點還設有LED數碼顯示管，可顯示該節點的狀態和地址信息，增強系統的易用性。主設備節點採用如下方式實現從設備節點的自動探測和地址分配a)所有從設備節點的初始地址為O;b)主設備節點地址固定為128，其以一定時間間隔對從設備節點進行輪詢，輪詢的地址範圍是0—127。c)當新節點加入總線後，會收到來自主設備節點的探詢，從設備節點予以回應。d)主設備節點得知有新設備加入，則為該設備重新分配新地址；產生新地址的算法為，取地址1一127中未被使用的最小的數值作為新設備的地址。同時，將該地址加入已知設備列表。e)從設備節點不能主動發起通訊，而是由主設備節點不斷對其進行輪詢，若從設備節點未回應，則表明其處於關閉狀態或已經撤出總線。其中，已知設備列表定義為當前掛接在485總線上的所有已知設備的地址的集合。當從設備節點關閉時，主設備節點的監控軟體會提示該設備處於離線的不可用狀態；當從設備節點被撤出總線，即物理斷開時，需要在主設備節點的軟體中手動將該設備刪除，該設備的地址也被從已知設備地址列表中刪除。圖l485總線監控系統結構示意圖；圖2從設備節點結構示意圖；圖3主設備節點程序流程圖；圖4從設備節點程序流程圖。具體實施方式如圖1所示，本發明提出的高可擴展性方法即基於這種一主多從、非競爭式的總線訪問方式。主節點一般是計算機，也可以是嵌入式設備，內置有系統配套的監控軟體。若是計算機，則需配套RS485轉RS232接口模塊，連接在機箱背面的DB9插槽上。本實施方案採用計算機，較為簡單，不用做複雜的開發。系統節點間的通訊採用固定波特率9600bps，即滿足了一定的通訊速度，又保證了數據的穩定性。從節點的結構參見圖2:核心控制晶片採用單片機AT89S52，具有內置FLASH存儲器，可存放從節點端的驅動程序。外接陶瓷晶體Y1與內部振蕩電路產生單片機的時鐘信號，該信號也是產生波特率的時鐘源，為了產生精確波特率，晶體Y1使用9600的整數倍11.0592MHZ;U3是一個I2C接口的E2PROM，用於存放該節點設備的參數信息，最重要的是存放設備地址，該地址在設備出廠時被初始化為O;U7是485總線收發器，採用1/4標準負載的MAX487，系統理論容量為128個節點。MAX487將單片機的RS232格式數據與RS485制式進行接口轉換。在一般情況下，從節點保持接收數據的狀態，關閉發送驅動器，即操作單片機的P1.6口EN=0，而當從節點收到主節點的命令，需要發送回執信息時，改變MAX487為發送狀態，即EN=1;在總線上，電路採取了支持熱拔插的保護措施4個穩壓二極體提供過壓保護，兩個2.4Q限流電阻為總線提供過流保護，這些措施避免了在進行設備帶電拔插時瞬間過流和高壓對接口晶片造成損害；Sl是一個復位開關，用來對從節點設備進行模式選擇，從節點設備僅有的兩個模式為復位模式和正常模式；圖中數碼管驅動模塊是單片機對3位數碼管進行驅動的電路，顯示範圍是00(Tl27,用以增加系統易用性。參照圖3，可知主節點的工作流程為(1)從內存中讀取已知設備列表，得知當前系統中有多少節點掛接在總線上。並根據已知設備列表的地址排列規則，計算出該些設備的地址範圍。已知設備的地址範圍是，最小為l，最大127。(2)輪詢已知節點，得知其工作狀態，是否在線。(3)探測未知節點，即新加入的節點，未知節點地址為初始值0。若發現新節點，則為該節點分配新地址，新地址的值為1一127中尚未使用的最小值，並將該地址和節點信息加入已知設備列表。(4)檢査是否有刪除節點的操作，該操作為用戶用滑鼠或鍵盤輸入的命令，用於將節點永久移除系統時的操作。參照圖4，可知從節點的工作流程為(1)讀取復位開關的值，節電了解自身所處的狀態。若復位開關處於Reset檔，則說明自身尚未被主節點探測到，初始地址為0。此時單片機輸出驅動數碼管顯示'000，；若復位開關處於Normal檔，表明該節點是一個已知節點。(2)從E2PR0M中讀取節點自身在總線監控系統中地址。(3)主程序以串口中斷的方式接受來自主機的數據。可設置一個標誌位recflag,在串口中斷中改變recflag的值若經判斷收到主機的有效命令，則recflag=1;否則recflag清0。程序在主循環中檢查reeflag的值，當recflag=1，即收到主機命令時，判斷命令類型，若為地址設置命令時，則設置該節點的新地址，並存儲到E2PR0M中；若為其它命令，則執行其它操作。當從節點成功地設置了新地址時，單片機輸出驅動數碼管顯示當前地址。(4)完成設置，從節點進入正常工作狀態，將復位開關撥至Normal檔。通訊協議採用如下格式0x55OxAA地址命令代碼<參數:其中，0x55和0xAA為同步字；地址為數據目的端的地址；命令代碼即操作類型；參數可以是命令所帶的參數，也可以是數據，校驗方式採用校驗和。實施例主節點發送的命令類型和相應代碼可採取表中設置tableseeoriginaldocumentpage7權利要求1、一種485總線式監控系統及其高可擴展性方法，包括主設備節點和從設備節點，其特徵在於，在不需要進行額外人工配置的情況下主設備節點對從設備節點的加入和退出系統進行監管；從設備節點的數量靈活的增加或減少或進行熱拔插，不需要考慮設備地址的衝突和主設備節點對其識別的問題，從而實現485總線式監控系統中被控節點的可高擴展性和適應性。2、根據權利要求1所述的方法，主設備節點和從設備節點之間採用固定波特率進行通訊，該設置固化在設備的應用程式中，主設備節點和從設備節點均使用等效於1/4標準負載的485接口晶片MAX487，485總線系統的最大節點容量為128個。3、根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，主設備節點置有可視化監控軟體和存儲器，可對從設備節點的狀態進行監控，記錄並存儲其數據參數。4、根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所有節點的485總線收發模塊利用穩壓二極體的反向擊穿電壓對485接口晶片進行保護。5、根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，主設備節點採用如下方式實現從設備節點的自動探測和地址分配a)所有從設備節點的初始地址為0;b)主設備節點地址固定為128，其以一定時間間隔對從設備節點進行輪詢，輪詢的地址範圍是0—127;c)當新節點加入485總線後，會收到來自主設備節點的探詢，從設備節點予以回應；d)主設備節點得知有新設備加入，則為該設備重新分配新地址；產生新地址的算法為，取地址1127中未被使用的最小的數值作為新設備的地址。同時，將該地址加入已知設備列表。e)從設備節點不能主動發起通訊，而是由主設備節點不斷對其進行輪詢，若從設備節點未回應，則表明其處於關閉狀態或已經撤出總線。6、根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，己知設備列表定義為當前掛接在485總線上的所有已知設備的地址的集合，當從設備節點關閉時，主設備節點的監控軟體會提示該設備處於離線的不可用狀態；當從設備節點被撤出總線即物理斷開時，需要在主設備節點的軟體中手動將該設備刪除，該設備的地址也將從已知設備地址列表中消失。7、根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，從設備節點內部採用E2PR0M保存節點地址信息，該地址出廠設置為0，當主設備節點為其分配了新地址後，將初始地址0覆蓋，從設備節點還設計有一位復位開關，分為Reset和Normal兩檔，當開關處於Reset檔時，節點地址恢復出廠設置，當處於Normal檔時，為正常操作狀態，該復位開關使節點不受地址限制，自由靈活的加入或撤出總線。8、根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，從設備節點設有LED數碼顯示管，可顯示該節點的狀態和地址信息，增強了系統的易用性。全文摘要本發明公開了一種485總線式監控系統及其高可擴展性方法，包括主設備節點和從設備節點，在不需要進行額外人工配置的情況下主設備節點對從設備節點的加入和退出系統進行監管；從設備節點的數量靈活的增加或減少或進行熱拔插，不需要考慮設備地址的衝突和主設備節點對其識別的問題，從而實現485總線式監控系統中被控節點的可高擴展性和適應性。本發明的方法解決了485總線監控系統中節點配置不方便，系統擴展性不強的弱點。文檔編號H04L12/40GK101404604SQ200810158569公開日2009年4月8日申請日期2008年11月3日優先權日2008年11月3日發明者超李,王守昊申請人:浪潮電子信息產業股份有限公司