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PC機與多臺單片機組成的主從式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，單片機控制作為下位機，負責(zé)對電子設(shè)備故障點進行數(shù)據(jù)采集和控制，通過接口將結(jié)果傳給PC機；PC機作為上位機，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，根據(jù)分析和處理的結(jié)果來控制單片機的操作。目前，應(yīng)用Visual C++開發(fā)串行通信實現(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)實現(xiàn)；
    (2)利用Visual C++的標準通信函數(shù)一inp、一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(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(fù)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(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、支持節(jié)點多、傳輸距離遠、連接簡單的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)單片機系統(tǒng)。在該系統(tǒng)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(wǎng)。

l 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    整個系統(tǒng)是一個基于RS 485現(xiàn)場總線，自定義通信協(xié)議，在總線上連接各下位機和上位機，由上位機統(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)場設(shè)備層。其中，監(jiān)控層由上位機(PC機)承擔(dān)，負責(zé)接收底層現(xiàn)場設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的分析和存儲，下位機參數(shù)的設(shè)定和修改，以及實時和歷史數(shù)據(jù)的查詢，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(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)場下位機設(shè)備進行實時通信，完成數(shù)據(jù)通信包的打包、拆包、檢驗等處理；現(xiàn)場設(shè)備層由多臺電子設(shè)備、單片機、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。

上位機為教師操作的教學(xué)控制管理系統(tǒng)，在微機上用Visual C++編程實現(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，這幾個模塊和用戶界面用戶接口一起構(gòu)成整個系統(tǒng)軟件。
    下位機作為這個分布式控制系統(tǒng)的學(xué)生客戶端，是一個基于AT89C52單片機的應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用計算機、AT89C52單片機、光電耦合器、驅(qū)動電路、繼電器、彩色電視機等組成的監(jiān)控系統(tǒng)，通過局域網(wǎng)，構(gòu)成一個智能化訓(xùn)練及鑒定系統(tǒng)。AT89C52單片機控制系統(tǒng)如圖2所示。

 AT89C52單片機控制系統(tǒng)采用計算機與AT89C52單片機所構(gòu)成的多種微處理芯片混合的主從系統(tǒng)，教師機是系統(tǒng)的上位機，實現(xiàn)人機交互和數(shù)據(jù)交換、檢索、存儲、處理、更新圖形的顯示，對下位機(即學(xué)生機)的控制和通信等控制。學(xué)生機完成數(shù)據(jù)的采集和信號的處理。教師機作為主機，學(xué)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(xùn)練或鑒定工位均有獨立的學(xué)生機和彩色電視機，每臺學(xué)生機之間通過網(wǎng)線互聯(lián)。學(xué)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(tǒng)需要進行軟、硬件開發(fā)。與單個獨立單片機系統(tǒng)不同，網(wǎng)絡(luò)中單片機不僅要按預(yù)先設(shè)計的程序工作，更多時候需要根據(jù)來自上位機的控制指令適時調(diào)整工作程序。實操訓(xùn)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(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
    通信接口是單片機控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)總線來實現(xiàn)，通信接口器件和總線的合理選擇是單片機控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換和傳輸順利進行的前提和保障。
    該系統(tǒng)采用RS 485總線組網(wǎng)，上位機通過串行接口經(jīng)標準RS 232總線和RS 232／RS 485轉(zhuǎn)換器將RS 232標準電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為TTL電平接入處理器的異步串行通信口(UART)，實現(xiàn)RS 485網(wǎng)絡(luò)的半雙工通信。
    RS 232／RS 485轉(zhuǎn)換器采用市場上即插即用型的產(chǎn)品，本身已經(jīng)實現(xiàn)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(shè)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(chǎn)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(dǎo)致通信無法進行。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的反射，通信距離可達到1 200 m。

3 通信協(xié)議
    RS 485接口的軟件設(shè)計對系統(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與下位機的查詢方式通信，為了協(xié)調(diào)總線的分時復(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?？刂浦噶畲a為：字符“1”表示故障點短接，ASCII碼為“31H”；字符“O”表示故障點斷開，ASCII碼為“30H”。
    (1)上位機狀態(tài)字：

bo：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O；
    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O；
    b4：恢復(fù)答題指令標志1，無恢復(fù)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O；
    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O；
    b6：答題中止標志l，答題恢復(fù)標志O。

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(tǒng)開始計時。在考試進行過程中，監(jiān)考老師可查詢?nèi)我粋€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。考試過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(fù)信息。考試過程中，監(jiān)考老師發(fā)現(xiàn)有學(xué)生作弊，可隨時按下中止考試按鈕，中止此下位機的運行，考試記零分?？荚嚂r間到，系統(tǒng)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)主控端，以一定時間間隔dtl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(quán)標志，若在延遲短暫時間后下位機無應(yīng)答，置此地址下位機不在線標志，并中止此次輪詢；若有應(yīng)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(fù)查詢指令，根據(jù)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(jù)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(jù)功能指令解析數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的顯示及確認回復(fù)。
    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(xiàn)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(shù)確定根據(jù)調(diào)試過程確定。
    在設(shè)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(shù)據(jù)收發(fā)可靠，在RS 485總線狀態(tài)切換時需要加適當?shù)难訒r，延時一般控制在1 ms左右，再進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。經(jīng)過這樣處理后，使總線在狀態(tài)切換時有一個穩(wěn)定的工作過程。

5 上位機通信軟件的設(shè)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(shè)計的，該方法功能較強，只要理解這種類的幾個成員函數(shù)，就能方便使用。以下是幾個常用的成員函數(shù)：

6 結(jié) 語
    提出了一種基于AT89C52單片機網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，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，運行可靠。此外，由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，靈活性強，可根據(jù)用戶的實際需要，實現(xiàn)對不同型號、不同品牌、不同功能的終端設(shè)備進行控制。因此具有較高的應(yīng)用價值和推廣價值。