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)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)一inp、一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)。

l 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。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120Ω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，Tl工作于方式2，初值為FDH，SMOD=O。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“O”表示故障點(diǎn)斷開，ASCII碼為“30H”。
    (1)上位機(jī)狀態(tài)字：

bo：發(fā)卷指令標(biāo)志1，無發(fā)卷指令標(biāo)志0；
    b1：開考指令標(biāo)志1，無開考指令標(biāo)志O；
    b2：答題查詢指令標(biāo)志1，無答題查詢指令標(biāo)志0；
    b3：強(qiáng)行中止答題指令標(biāo)志1，無強(qiáng)行中止答題指令標(biāo)志O；
    b4：恢復(fù)答題指令標(biāo)志1，無恢復(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O；
    b4：交卷請(qǐng)求標(biāo)志1，無交卷請(qǐng)求標(biāo)志0；
    b5：已交卷標(biāo)志1，未交卷標(biāo)志O；
    b6：答題中止標(biāo)志l，答題恢復(fù)標(biāo)志O。

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dtl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)：

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。