摘要：基于工厂车间机械电气设备监控的需要，设计了一种基于C8051F340单片机的设备状态监测和RS485自适应多机通信系统，实现了本地现场设备运行状态的监测和各监测点的RS485组网通信，构成主从分布式系统，并且主机可自动识别总线上从机的地址和个数，具有多机通信的自适应性；通过与主机相连的GSM手机通信模块还能够实现手机对各监测点的远程实时监控，构成了一个完整的远程监控和自动监测系统。
关键词：设备监测；RS485总线；自适应；多机通信
Design of RS485 adaptive Multi-computer Communication and Remote Monitoring System Based on C8051F340
Xu Liutong
Xinxiang Huaxin Electric power group share company 453000
Abstract: Based on the monitoring needs of mechanical and electrical equipments in the factory machine shop, designed a equipment state monitoring and RS485 adaptive multi-computer communication system based on C8051F340 MCU, achieved the status monitoring of the local field devices and RS485 group networking and communication of various monitoring points, constituted a master-slave distributed system, and the host can automatically identify the address and the number of the slave on the bus, having self-adaption of multi-computer communication.
It can also implement remote the real-time monitoring for each monitoring-station via the GSM mobile phone communication module connected to the host, constituted a complete remote monitoring and automatic monitoring system.
Keywords: Equipment Monitoring; RS485 BUS; Adaptive; Multi-machine Communication
0引言
在现代化的工厂中，众多机械电气设备的运行状态需要实时监控并能够进行有序管理，以保证其安全稳定运行。一般情况下，对现场设备工作状态参数用单片机和各种传感器实现，构成设备监测模块，各个监测点的数据通过应用广泛的RS485总线进行组网通信，构成主从分布式监测通信系统。通常这种系统的智能性不高，没有远程实时监控功能。当系统总线上需要增加或删减从机设备时，需要人工对从机设备地址进行管理，并且往往需要升级主机程序，尤其当从机设备较多和分散时，造成管理难度加大，增加出错的概率。
为此，本文设计了一种基于C8051F340单片机控制的RS485自适应多机通信系统，如图1所示。该系统不仅可以实时监测各台设备电机的转速、轴承温度和运行时间等参数，并且可以将这些参数通过RS485总线传送给主机监测模块，主机通过与之相连的GSM手机通信模块将数据传送给设备管理人员的手机。同时，本系统是一个自适应的多机通信系统，当从机故障或者需要扩展从机时，主机能自动识别总线上从机的地址和个数，不需要人工记录，提高了系统的智能化程度和工作效率。
图1 RS485自适应多机通信系统结构图
1系统结构
本系统结构如图2所示，是由C8051F340单片机控制的主从式RS485通信和监测系统，从机由DS18B20构成测温电路，电机转速由霍尔传感器AH44E检测，由DS1302提供实时监测的日历时间，MAX485构成RS485总线收发器，从机监测模块把检测的温度、转速和当时的时间信息通过RS485传送给主机监测模块。图中画出了一台主机和一台从机的结构，其他从机的硬件电路完全相同，仅依次加在总线上即可，从机部分电路如图3所示。
主机监测模块的结构与从机相似，不同的是多了一个GSM手机通信模块，在监控状态下，当主机或者任一从机检测的数据超过了设定的正常值，控制器会发出命令将此数据和当时的时间通过RS485总线传送给主机，主机再通过GSM模块发送短信息给设备管理人员，提醒其及时检修；并且，设备管理人员可随时发送特定的手机短信命令查询任一设备的实时检测数据，以随时随地掌握这些设备的状态参数。
图2 监测系统电路结构图
图3 监测系统从机电路图
2系统软件设计
2.1 通信协议设计
采用C8051F340340单片机的串行口UART1控制主从MAX485芯片实现多机自适应通信，通信方式为半双工，波特率设定为9600，一帧数据包含1位起始位0，8位数据位（低位在前，高位在后），1位额外位，2位停止位。数据通信采用多帧数据传输的方式，其中，主机询问的一般格式如表1所示：
表1 主机询问的一般格式
（1）从机地址码：根据从机个数，用1字节二进制数对每个从机进行编址。本设计中有10个从机，设定其地址分别为：01H、02H、…0AH。
（2）命令码：主机进行操作命令的编码。
（3）数据个数：通信数据的字节个数。
（4）数据码：通信的一字节或n字节数据。
（5）CRC校验和：两字节二进制数，是从机地址码、命令和数据的CRC校验和。
从机应答的一般格式如表2所示，图中各信息段的定义同表1。
2.2 定时与重发
为兼顾通信的可靠和效率，设计通信协议机制如下：
(1)帧发送时限：60ms，超时则结束发送。
(2)主机等待从机应答时限：7ms，超时则重发。
(3)主机重发次数：不超过3次，超过后，判通信失败。
2.3 通信过程
任何一次完整的通信过程都是由主机方发起的，从机在被主机寻址前只能处于侦听状态，从机在接收到地址码后，立即判断是否寻址自己，如果是，继续接受下面的数据，否则保持MCE1置位，拒绝接收。一次完整的通信过程分为4个阶段：主机自检、主机询问、从机应答和链路释放。
（1）主机自检，即以帧的形式将所有从机地址分别发到总线上，各个从机接收总线上的地址并与自身地址比较，如果相符，将此地址反馈给主机，如果不相符，则从机不予反馈。主机将接收的从机地址存储于Flash中，作为从机地址库。
（2）主机询问，主机以帧的形式将从机地址码、命令、数据和校验码传送到指定从机；
（3）从机应答阶段，从机根据接收的 命令码的不同要求，反馈相应帧信息到主机；
（4）链路释放阶段，从机清除接收缓冲区及相关变量，准备与主机下次通信。
图4 主机程序流程 图5 主机自检程序流程图
3 程序设计
系统中主机的主要任务是自动检测所有从机的地址并记录，然后寻址从机地址库，循环读取从机的检测结果，主程序流程如图4所示，包括3个程序模块：主机自检程序、串行中断服务程序和定时器T0中断服务程序。主机自检程序如图5所示，主机依次寻址设定的10个从机，各从机接收地址并与自身地址比较，如果相符则返回地址，否则不予理睬。主机将收到的各从机返回的地址依次保存，完成一次系统寻址。为保证自检的可靠性，设计总共寻址3次，任何一次结束，如果从机有地址返回均进行记录保存。串行中断服务程序如图6所示，主要用于接收各从机发送的帧数据，T0中断服务程序主要用于主机发送超时处理，此处省略。系统中从机通信软件的主要功能是接收主机的命令并将检测的结果回送主机，与主机软件原理相似，不再赘述。
4测试分析
本系统实物样品已研制完成，并在某工厂车间的机械设备上安装组网试用，将通信主机与计算机COM口连接，通过串口调试助手观察系统自检和通信反馈信息如图7所示。通过任一手机给本系统发送短信代码“cxdj-1”,即查询1#设备电机的工作参数，30s后系统回复如图8所示信息“1#设备电机当前转速2750，轴温：55.26度，距维护时间10天12小时15分钟，工作正常。”同样，发送“cxdj-2”即可查询２＃设备的工作参数，其他以此类推。经过30天连续工作测试，系统运行稳定，检测结果准确，RS485通信可靠，但受制于RS485自身的传输速度和GSM网络相应速度的制约，本系统的响应也相应有一定的延迟。
图6 串行中断服务程序流程图
图７手机通信解码过程实时状态显示 图８手机监测画面显示
5结论
本系统以C8051F340单片机为控制核心，采用RS485自适应多机通信设计，实现了从机地址自动识别和记录功能，大大减少了人工的干预，方便了对设备的管理。进一步地，设备监测模块、RS485总线和GSM手机通信的配合，实现了手机远程实时监测，测试中系统响应较慢的问题可采用速度更快的CAN总线加以解决。
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论文作者:许留同
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/18
标签：主机论文; 通信论文; 地址论文; 所示论文; 设备论文; 总线论文; 数据论文; 《电力设备》2018年第19期论文;