民营科技 爪两焉硼 信息科学 浅谈基于半双工通信系统的 通信控制协议设计 王秀彪 （四川大学电气信息学院，四川成都６１００００） 摘要：计算机网络中首先要解决的就是计算机之间的通信问题。通信控制协议为连接不同操作系统和不同硬件体系结构的互联网络提供通 信支持，是一种网络通用语言。针对通信速度要求不高、价格控制比较严格系统等要求，特别是控制系统设计了一种协议。这种协议基于半双工通信 系统．具有通用性。 关键词：半双工通信系统；通信控制协议；设计 位同步就是使接收端接收的每一位数据信息都与发送端准确地保 计算机网络中首先要解决的就是计算机之间的通信问题。通信控 制协议为连接不同操作系统和不同硬件体系结构的互联网络提供通信 持同步。实现这种同步的方法有外同步法和自同步法。 支持，是一种网络通用语言。在许多控制系统中需要一个高效、简单、 ａｌ夕 同步法： 这种同步方法是在发送数据之前，向接收端发出一串同步的时钟， 可靠的通信控制协议，用以保证设备将控制信息准确的发往目标设备。 由于控制信息数据量小不需要进行双工通信，因此提出的通信控制协 接收端按照这个时钟脉冲频率，调整接收时序，并把接收时的时钟重 议只针对于半双工通信控制系统。此外本协议具有通肿陛，可方便的 复频率锁定在接收的同步频率上，以便接收数据信息时，也能用同步 移植到其他半双工系统。当系统中的各个设备通过某种物理链路相互 频率的时钟作为外同步信号接收数据。联接起来以后，并不意味着它们之间就能够立刻进行数据交换了。设 外同步法的同步接收过程分两步，首先校准同步，然后用校准后 备之间要进行通行还需要有通信的规则即通信协议 通信协议通常要 产生的同步信号作为定时信号接收数据信息。所谓外同步法，就是接 规定通信的开始与结束，数据的接受者，所传送数据的校验方式以及 收端的时钟定时信号是由对方送来的，而不是从数据信号中提取出来 的，所以称这种同步法为外同步法。 链路的电气接口参数等。 目前常见的协议有基于以太网的ＩＥＥＥ ８０２ ３协议，基于ＣＡＮ— ｂ．自同步法： ＢＵＳ总线的ＣＡＮ ｏｐｅｎ协议等等。这些协议通常都比较成熟，它们或 自同步法是从数据信息波形的本身提取同步信号的方法。如后面 通信速度快、或通信可靠性高或抗干扰能力强，冈而得到ｌ『，“泛的应 介绍的曼彻斯所采用的同步方式即属于自同步法。 用。但是在一些要求比较特殊的场合这些协议就不一定适用了：针对 ２）字符同步 通信速度要求不高、价格控制比较严格系统等要求，特别是控制系统 仪仅识别各位数码是不够的，至少要对各个字符正确地识别出来， 设计了一种协议。这种协议基于半双工通信系统，具有通用性。 按位串联数码ｂｌｂ２…ｂ８ｂｌｂ２…ｂ８ｂｌ…，如果能把它划分为（ｂｌｂ２… １ 半双工通信系统的内涵 ｂ８） （ｂｌｂ２…ｂ８）…这即为实现了字符同步。如果划分为（ｂ２ｂ３…ｂ８ 半双工通信系统包含一或多个低压差分信令半双Ｔ收发器。每个 ｂ１） （ｂ２ｂ３…ｂ８ ｂ１）…则没有实现字符同步。字符同步有异步制和同 收发器可以包含：接收多个差分数据信号的多个输入端；输入驱动器， 步制。 其通过输出端传送来自差分传输线的差分数据信号；以及输出驱动器， ａ．异步制： 也叫字符的起止式。采用异步制，每个字符都按照一个的整 其通过差分传输线传送来自输入端的差分数据信号，并且通过非反转 与反转传输线输出到第一与第二收发器中的一个。可以响应于输人端 体进行发送，即一个字符的最后一位到下一位之间所经历的时间是不 处以及输入驱动器输出端处的差分数据信号，传送差分数据信号。每 固定的。字符间的间隔时间可以任意变化，也就是说，发送端可以在 个收发器都可以包含前置驱动器，该前置驱动器被配置来平移从输入 任何时刻异步地发送字符。 端输入到其、并且从其提供给输出驱动器的差分数据信号的参考电压 为了识别字符或进行字符同步，在每个发送的字符前后各加入一 电平。 位或多位信息以表示一个字符的开始和结束。 半双工通信采用半双工信道，数据信号可从Ａ传到Ｂ，也可由Ｂ 异步制实现起来简单容易，发送端时钟频率的漂移不会积累，每 传到Ａ．但不能在两个方向上同时进行传输。通信的双方都具有发送 个字符的起位都给该字符的位同步提供了时间基准，对线路的发送、 接收设备要求较低，或者说传输的可靠性高。由于外加了起位和止位 器和接收器，但在同一时刻信道只能容纳一个方向的传输（例如二线 制线路）。 这些专用于同步的信息位．所以传输效率低。异步制在低速终端信道 由一方发送变为另一方发送就必须改换信道方向。例如，若Ａ站 上获得了广泛的应用。把发送器连接到线路上，Ｂ站相应地把接收器连接到线路上，那么Ａ ｂ．同步制： 站向Ｂ站就可发送数据信息了。当Ｂ站要发送数据信息时，Ｂ站要将 同步制对于面向成组的传送提供了更高的线路利用率。字符没有 接收器与线路断开，把发送器连接到线路上，同时Ａ站相应地将发送 任何附加位而连续地发送。每组字符必须由一个或多个确定的同步字 器与线路断开，并把接收器连到线路上，信道方向改变了，这时Ｂ站 符领先。接收端用检测同步字符的模式获得同步。只要接收端能用自 就可向Ａ站发送数据信息了。这种在一条信道上，用开关进行转换， 己的时钟信号准确收到发送端的同步字符ＳＹＮ，则说明接收端达到了 同步制传 以实现Ａ—Ｂ与Ｂ—Ａ两个方向的通信，称为半双工通信，或称为单工 位同步，也就找到了划分字符的边界。接收端用反向信道（信道的半双工系统。 送大多使用全双工信道，也可使用半双工信道）确认后，发送端就开 由于半双工在通信中频繁调换信道方向，所以效率低，但可节省 始发送数据的第一个字符，直到出现控制字符指出组的结束为止。这 传输线路，广泛使用于局域网中。 和位同步使用外同步法是一致的。 ２通信控制协议数据同步方式 同步制虽然有效，但对串行通信链路两端都要增加要求。发送端 所谓同步，就是接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频 必须按照串行线路所需要的速率供给字符，接收端也必须按此速率从 率以及起止时间来接收数据，也就是在时间基准上必须取得一致。在 线路得到信息，宁符间的任意停顿都使接收端后续接收的字符失去同 通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一 步。 致。 ３）帧同步 同步是数据通信中需要解决的一个重要『ｎＪ题。同步不良会导致通 两工作站以报文分组为单位传送信息时，在字符正确同步的基础 信质量下降直至不能正常工作，同步主要分为位同步、字符同步、帧 上，必须将线路上的数据流划分成报文分组或ＨＤＬＣ规程的帧。划分 同步。 帧主要依靠帧的开始标志和结束标志。ＨＤＬＣ帧标志为Ｆ（０１１ｌｌ１１０）， １）位同步 当检出标志Ｆ时，认为帧开始或结束。帧同步除使用帧同步信号外， 一民营科技 信息科学 还可在帧问加入定位码，它有特定的码型，以便与信道码相区别。 ３硬件系统参考模型 硬件系统参考模型如图所示。系统是由一个总线控制器与若干个 设备之间通过同一通信总线连接。总线控制器与设备，设备与设备之 间能进行半双工通信。由于采用的是总线连接方式可以使得系统的成 本大大降低，但是由于总线的特点不允许同时有两个或以上的设备发 送数据。因此需要总线控制器对总线的控制权进行分配。 ２０１０年第９期 中间１６位为数据位。如同信数据为控制信息这可规定数据位中高８位 为地址数据如出现又连续６个…１’的情况，则使用数据位中低８位的 最高位扩展。数据位中低８位的次高位固定为…０’紧接的４位为控制 信息称为Ｃ＿ｆｌａｇ，其后一位固定为“０”再后一位为奇校验位。ＣＦｌａｇ 的ＯＨ与Ⅲ保留用于总线控制器。ＯＨ Ｈ］于总线控制权移交，ｍ用于 登记地址。 ４基于半双工通信系统的通信控制协议的典型应用 系统采用上图所示模型，共有三个设备地址分别为ＯＯＨ、ＯｆＨ、 ｆｆＨ。首先由总线控制器发出地址登记命令，如有该地址设备则该设备 发出与总线控制器先前发处信号相同信号，总线控制器登记该地址。 如总线控制器发出７ｅ００３ｄ７ｅＨ登记００Ｈ设备，受到信号后Ｏ０Ｈ设备也 发出７ｅ００３ｄ７ｅＨ用以登记地址，登记一个设备地址以后总线控制器将 按自然数递增的方法一直登ｉＥＹ－ｑ最后一个地址。最后一个地址登记的 信号为：７ｅｆｂｂｄ７ｅＨ。 具体的通信过程类似于令牌环网，首先总线控制器会登记存总线 登记完地址以后总线控制器只发ｆ士｛登记了地址的设备总线控制允 上的设备地址，然后按照一定的算法发出某一设备的总线控制允许信 许信号，这样可以减少浪费的时间。如发出的ｆｆｌ－Ｉ设备总线控制允许 ●● 号。设备在没有得到总线控制允许信号时都时处于听者状态的，一旦收 到属于自己的总线控制信号后则将数据发送到总线上。设备发送数据 时总线控制器处于听者状态一旦受到设备数据发送完毕信号立即将下 设备的总线允许控制信号发出，从而将总线控制权交给下一个设备。 在通信系统中通常把要传输的信息分成若干个块来传送，每个块 加上控制信息成为一帧 同样在本协议的参考模型中数据的传送也是 以帧为单位的，并且设备在一次总周期中只能发送一帧。本协议采用 组帧技术。规定帧的正常开始与结束用二进制串０１ｎ０（ｎ取６表示６ 个连续的１）称为Ｆｌａｇ。当设备接收到６个连续的…１’时表示一帧的 正常开始，再接收到连续的６个“１”时表示一帧的正常结束。如设备 接收到连续的７个或以上时表示非正常开始或结束。如帧中的数据有 连续的６个“ｌ”时，则在连续的５个“ｌ”后插入一个…０’来解决与 Ｆｌａｇ的冲突。设备在接收到连续的５个“１”后自动将其后的…０’删 除，如在其后的时“１”则表示一帧的结束。考虑到低速系统采用处理 器多为８位数据，且本协议传送的数据主要为控制信息。规定一帧的 长度位３２个二进制位，其中高八位与低八位为帧开始与结束的Ｆｌａｇ， 一信号应为７ｅｆｂ８１７ｅＨ。 以上介绍了本协议适用的范围与产生背景，由于具有一定的普遍 意义可以很方便的引用到单片及控制系统中。当然在开发中还有较多 的注意事项，例如设备失灵时总线控制器的等待只能在一定的时间内， 否则的会引起假死状态。因此本协议的适用可跟据具体的系统做一些 适当的补充规定。 参考文献 【１】李忠良．浅谈集散控制系统及其应用【Ｊ１＿湘电培训与教学，２００７（３）． 【２】李雨，冯迪．浅析计算机网络通信协４ｚｌＪ１．中小企业管理与科技（上旬 刊），２００９（１）． 【３ｌ钟元振，张凤杰，吴红玉．集散控制系统的评价及选型【Ｊ Ｊｌ科技创新导 报．２００８（５）． ｆ４１黄慧华，孙玉荣．基于远程监控系统的通信协议研究【Ｊｆ．微计算机信 息，２００９（１２）． ｆ５１朱玉建．工业网络实时性模型的分析【Ｊ１ｌ莱钢科技，２００８（３）． ｆ６Ｉ吕增芳ｌ集散控制系统发展概述『ＪＩ．机械管理开发，２００８（３）． （上接１１页）跟踪电梯运行状态。 ４）参数设置模块。可进行检测参数的设置，如电梯曳引比、电梯最大 运行速度裕度、电梯的最小速度设置、张力最大裕度、停梯超时设置、开 门最大时间裕度、开门最小时间裕度、关门最大时间裕度、关门最小时间 裕度、关门间隔时间裕度等。 ５）统计分析模块。可实现统计总运行次数、空载运行次数、空载上行 次数、空载下行次数、半载运行次数、半载上行次数、半载下行次数、满载 运行次数、满载上行次数、满载下行次数、各层上行次数、各层下行次数、 各层门运行次数、各时段梯运行次数、各时段门运行次数等。 ６）故障报警模块。实现上行停层故障、下行停层故障、冲顶运行故 障、蹲底运行故障、超速运行故障、低速运行故障、轿门开梯运行、层门开 梯运行、开闸溜梯故障、抱闸溜梯故障、平层开门故障、平层关门故障、错 层开门故障、错层关门故障、开门超时故障、开门超速故障关门超时故 障、关门超速故障、关门暂停故障、停梯超时故障等故障的识别，并具有 故障实时记录功能。 ３系统的应用优势 系统是目前国内唯一能满足《电梯安装验收规范｝ＧＢ１００６０—９３中规 定的电梯无故障运行试验的智能检测分析仪器，能依据国家相关标准做 全过程的测量和记录，能跟踪检测电梯运行的几十个参数，能识别二十 余种故障类型，能统计十余种不同状态下的电梯运行次数，能查看各层 电梯停靠次数是否均匀，能记录电梯运行过程中发生的故障。 此外，系统能实时显示速度曲线、加速度曲线、电流曲线，以及动态 显示电梯运行状态的功能。与国内外电梯检测仪器相比较，具备了较强 的实用性，可应用于不同类型， 牌的电梯，适用性广，通用性佳，并具有 轻便易携、快速安装、检测安全、操作方便、自动化程度高、智能诊断的特 图３软件界面 系统现已通过国家质检总局科技司科技成果鉴定，鉴定专家一致认 为系统采用的磁性吸附式绳速检测装置、自动建立电梯运行坐标、无人 值守及连续不问断跟踪测试技术具有创新性，系统填补了国内空白，技 术性能达到国际先进水平。 参考文献 点。 ３１ ＧＢ ７５８８—２００３电梯制造与安装安全规范ｆｓ１． 结束语：“电梯可靠性运行试验智能检验系统”的研究具有以下意 『４１ ＧＢ／Ｔ １００５８—１９９７电梯技术条件【ｓ１． 义：１）实现全程客观、公正地对运行试验进行检验；２）能够降低检验人员 『ｆ５１ ＧＢ／Ｔ １００５９—１９９７电梯实验方法ｆＳ１． 的劳动强度，缓解检验人员不足的压力；３）能够实现大范围应用，使每台 『１１马呜远．人工智能与专家系统导论［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６． １２ｌ毛怀新．电梯与自动扶梯技术检验［ＭＩ．北京：学苑出版社，２００１． ６１ ＧＢ １ ００６０—９３电梯安装验收规范ｆｓ１． 电梯运行试验都能得到检验；４）实现实验数据的全程记录，能够实现对 『ｆ７１电梯监督检验规程『ｓ１．２００２． 检验过程进行核查。 Ｉ 园 。
