摘要：本文设计了一种基于单+5V电源的，利用目PC机来实现对分布在不同地方的下位机进行统一管理的系统。本系统以动态编址的多机通信模块为实现目标，以实现系统规范性、实用性、可扩展性和模块化为设计宗旨，真正实现分散运行、集中管理的网络化管理。
关键词：PC机；分布式；下位机
中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)05-10000-00
1 引言
当前，许多产品已经采用单片机作为其本身的一部分，但随着计算机领域的技术不断发展，很多产品已经不能满足用户的要求，例如：在加油站，现在的大部分加油机只具有单机的控制和简单的数据查询功能，随着计算机技术和行业本身的发展，需要一种分散经营、集中管理的网络化经营管理模式，这时就需要对原有系统进行技术改造和二次开发。另外在对某些厂矿的数字仪表数据的集中测控和查询、汇总等，原来的产品也无法满足需要，如果对原有产品进行重新研制开发，则不仅会费时费力，而且由于重复投资还会浪费更多的资金，只有在原有系统的基础上进行二次开发才是最佳的解决方案。
由于目前基础系统都是单一电源+5V，所以本系统在通讯芯片的选择上，摒弃传统的1488和1489芯片，选用单+5V供电的双组驱动器/接受器芯片来适配基础系统，使整个系统完全运行在基础系统的单+5V电源下，避免了传统通讯电路的+12V和-12V，减少了电源的支出和简化了硬件电路设计；在对下位机的地址编码方面，传统上是将下位机编码作为常量直接固化到芯片，而本系统拟用8段DIP开关来设置下位机地址，从而达到可随时设置，使整个系统更加方便灵活；在数据测控方面，本系统将具有模块化特性，使用户能够根据不同情况方便的对其接口进行扩展；同时还将符合网络化特征，在通信方面，采用性能较好的485总线方案来适应远距离传输；在程序设计方面，下位机主要进行数据的采集，而上位机则主要进行相关数据的处理、保存和汇总。
该多机分布式系统，上位机和各下位机可实现全双工通信，而各下位机之间只能通过上位机进行信息交换。各个下位机有各自的本机编码，以便上位机识别和实现通讯。
2 系统设计
2.1 系统总体结构
本系统如下图1所示，系统主要分三层：上位机控制层，数据传输层，下位机响应层。
图1下位机的功能结构图
上位机完成系统的管理任务。主要从系统管理、基本信息管理、业务管理、综合查询、日志管理等方面对系统进行管理。
数据传输层完成上位机和下位机数据的传输。上位机采用轮询的方式进行数据采集和系统监控，这样只有和上位机正常握手的下位机才能和上位机进行数据传输。
下位机完成数据采集、响应、存储和控制等工业控制。下位机是通过485总线和上位机进行通信，上位机将接收的传输信息利用RS232－485实现信息的转换，这样可直接使用原有的RS－232端口完成信息的传递，既减少对上位机的改造，又实现远程通讯距离长的要求。
2.2下位机设计
根据系统要求，下位机在硬件实现上分为七个部分：波特率自适应、上电复位、地址读取、数据采集、数据控制、片（内）外程序切换、通讯。由于整个系统运行于单+5V电源，所以可以直接采用原有系统的电源部分，这样除了信号采集部分需要和本系统进行接驳之外，基本上不需要对原有系统进行额外的改造。
1)波特率自适应
下位机发送自己的地址进行注册波特率，上位机发送应答，下位机对首字节解析，直到和上位机波特率一致。
2)上电复位
系统中复位采用的是传统的经典电路，即复位采用手动脉冲复位电路，以便能够在系统无法使用软件复位的情况下进行手工复位。上体设计是利用单片机本身的复位/备用电源线，使单片机处于复位（即初始化）工作状态，需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。
3)地址读取
系统的地址读取利用74LS373的单向通道特性进行屏蔽其他电平，读取指定的地址信息，地址由八段开关DIP8来设置，数据由CPU的P1端口读取。本系统将P1端口八个管脚分别和8位的DIP开关进行相连，根据读取到的开关量达到对该下位机的地址的设置，以满足下位机地址灵活配置的要求，这样以来，系统最多可支持28= 256个下位机。
4)数据采集
系统的数据采集利用74LS373的单向通道特性进行屏蔽其他电平，读取指定的需要采集的数据信息，数据接口由8条数据线连接外围电路，数据由CPU的P1端口读取。
5)数据控制
系统的数据控制利用74LS373的单向通道特性进行屏蔽其他电平，根据上位机指定的控制信号，对外围系统进行控制信号的电平输出，数据由CPU的P1端口送出。
6)片外ROM读取
系统的片外存储器的扩展采用74LS373和具有28管脚的27系列EPROM或25系列的EEPROM，以便能够最大扩展32K的程序空间。为了将来的功能程序扩展，对CPU进行片外EPROM的扩展，利用CPU的P0和P2端口进行扩展。
7)通讯模块
系统的的通讯模块利用MAX485来完成下位机与上位机的数据传输功能。
8)其他说明
由于CPU的端口资源紧张，系统采用了74LS04的一个锁存器来进行信号分离达到端口复用功能，有效的达到了在同一个端口P1既可使用地址的读取，又可以进行数据的采集和控制。
由于现场设备的不同，导致了数据采集的类型多种多样，常见的有开关量、8段数码量、A/D转换信号、继电器等等。为了采集不同类型的数据，本系统为下位机提供了8位采集线，用户可根据具体情况在上位机中灵活配置采集信号的读取位置，从而满足不同信号的采集，其余的可作为控制线进行使用。根据上位机定义好的协议，按照信号类型和控制指令进行相应的处理，例如声光报警、为继电器等其他器件提供信号等等。
此外，为了保证数据采集的准确性，在软件设计上我们采用三中取二的方法来保证数据采集的正确性，即对每个数据连续采集三次，将两次相同的数据作为采集到的数据进行传输，否则重新采集直到读取成功，以此来保证采集到的数据有效性。
2.3 上位机设计
上位机系统的功能包括：系统管理、基本信息管理、业务管理、综合查询、日志管理。
1)系统管理
系统管理主要实现对系统的登录、口令、操作员、负责人等信息进行管理
2)基本信息管理
基本信息管理主要是对系统字典、下位机的地址、上下位机传输数据、下位机详细信息和报警等信息进行管理。
3)业务管理
业务管理主要是对上下位机之间包括波特自适应、下位机注册、心跳监测、数据查询和控制处理等各个不同的业务过程进行管理。
4)综合查询
综合查询主要是实现对上下位机传送的数据、上下位机传送的数据是否成功、下位机报警信息、下位机的任务设置、用户的登录信息、下位机详细信息、负责人的信息等按照不同的条件进行查询过滤。
5)日志管理
日志管理主要是对上下位机的日常操作进行查询或删除管理。
为了保证系统能够正常的安全、稳定的运行，不仅在下位机利用看门狗监控，而且在上位机也有类似的功能。这就是心跳监测，即上位机在后台专门启动一个心跳监测进程，利用轮询的方式每隔一段时间，对每个下位机进行握手通讯，以巡视各个下位机当前的工作状况，如果在指定的时间内没有接到下位机的握手反馈信号，那么系统将利用声光进行报警，以便提醒人工干预，从而保证系统的正常运行。
2.4 RS232－485转换
由于目前工业中常用的是RS232串行通讯接口，RS-232-C一般用于20m 以内的通信；RS-232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题。而RS-485 采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV 的电压，传输信号能在千米以外被恢复。所以要实现通过上位机控制具有RS-485的串行通讯接口的下位机，必须实现RS232－485转换。
1)功能要求
RS232/485转换器是RS-232与RS-485之间的双向接口转换器。简单的两线通讯，可以架构RS485半双工多点位通信网络。已被广泛地应用于点到点，点到多点的RS485接口设备的通信。
该转换器能够将RS-232串行口的TXD和RXD信号数据转换成两线平衡的半双工RS-485信号。无需外接电源，可直接从RS232端口的3脚窃电，同时由7针请求发送(RTS)、4针数据终端准备好(DTR)辅助供电。
2)性能参数
表1 性能参数表
3)系统应用
本系统已在加油站、煤厂得到了实际应用，系统运行情况良好、稳定。本系统为企业通过PC机实现了对各个下位机的数据自动采集、控制处理和实时监控，使之成为一种分散经营、集中管理的网络化经营管理模式。同时对原有系统进行技术改造和二次开发过程中为企业在节约了资金，并且为企业的绩效管理、任务考核和安全生产提供了可靠的依据和保障，得到了用户的高度评价。本系统主要有以下特点：
1)完全运行在单+5V电源，可直接使用基础系统的供电电源。
2)本系统在对上位机和下位机通讯方面采用8段DIP开关对下位机进行编码，上位机在整个网络系统中灵活的对下位机进行分组测控和通信。
3)选择28脚的 EPROM的兼容性, 使系统在不改变硬件系统就能适当的改变系统功能，为以后系统的二次开发打下了良好的基础。
4)在网络数据传输方面，本系统采用当前流行的485总线方案，能够适应下位机比较分散的场合，保证长距离数据传输的正确性。
5)上位机对传输来的数据进行整理、存储和处理，满足用户的各种要求，可以充分利用了主机的硬盘来存储数据，减少了下位机存储器的开销。
4 结束语
在研究和开发本系统的过程中，充分借鉴了目前的先进技术，同时又充分考虑了保留原有系统的功能。该系统真正可以通过PC机控制实现分散运行在不同地方的下位机进行集中管理的网络化管理。
参考文献：
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收稿日期：2008-01-12
基金项目：北方工业大学科研基金项目（20060002）
作者简介：方英兰（1973-），女，河南商城人，讲师，硕士，研究方向：计算机系统结构、计算机安全；韩兵（1971-），男，河南焦作人，工程师，硕士，主研究方向：计算机体系结构、计算机通信。
