基于现场总线的实验室网络系统设计
|
摘要
实验在高等教育中的重要作用在高校中已取得共识，各高校都在积极的进行实验室的建设。建立开放实验室成为实验室改革的方向，这对实验设备的管理提出了更高的要求。本课题针对目前实验室中实验设备性能及实验设备管理的现状，结合目前正在快速发展的现场总线技术，提出了建立网络化的实验室的构想，并对其实现做了研究，主要工作如下：
(1)参考现场总线技术，对实验室网络进行了总体规划，提出了符合实验室要求的实验设备网络结构。
(2)实验室网络系统的硬件实现。这一部分主要是设计了实验室网络的关键组成部分——多功能测控单元MFCU，以满足实验设备监控和实验内容灵活多样的需要。
(3)对通过RS-232总线和RS-485总线进行多机通信进行了研究，实现了具有不同接口标准实验设备的联网。
(4)实验室网络系统的软件实现。这一部分主要包括监控站(计算机)软件、多功能测控单元MFCU软件实现以及各部分通信的通信协议的制订。设计了监控站监控界面，制定了分层的通信协议。
(5)对单片机快速实现CRC校验的算法进行了研究，编制了单片机CRC校验的程序。
(6)系统的测试。实验室网络系统各组成部分的功能实现后，对系统进行了测试。
There already is a common acquaintance in universities to importance of experiment in higher education, and universities have making enormous efforts to provide better condition. To establish open laboratory has been orientation that ask for a higher management on experimental equipment. Considering the problems that exist in the management of equipments in laboratory, a new structure of laboratory based on the rapidly developing field bus system has been realized:
1. A total layout of laboratory network based on field bus is put forward.
2. Hardware realization of laboratory network system. A key
component of laboratory network system------MFCU (Multiple
Functions Control Unit) is given to meet the need of the variety of experiments.
3. Using RS-232 bus and RS-485 bus, some researchs were made on communication between different CPUs, and realized the network between experimental equipments that have different interfaces.
4. Software realization of laboratory network system. The software for computer inspecting and controling experimental equipments and the software for MFCU are realized after designing the layered communication protocol.
5. How to realize CRC algorithm in microchip has been discussed in this paper, and the related coding work has been done.
6. Testing of the whole system. Having construted the whole system, a test to secure the reliability of the system has been taken.
(1)参考现场总线技术，对实验室网络进行了总体规划，提出了符合实验室要求的实验设备网络结构。
(2)实验室网络系统的硬件实现。这一部分主要是设计了实验室网络的关键组成部分——多功能测控单元MFCU，以满足实验设备监控和实验内容灵活多样的需要。
(3)对通过RS-232总线和RS-485总线进行多机通信进行了研究，实现了具有不同接口标准实验设备的联网。
(4)实验室网络系统的软件实现。这一部分主要包括监控站(计算机)软件、多功能测控单元MFCU软件实现以及各部分通信的通信协议的制订。设计了监控站监控界面，制定了分层的通信协议。
(5)对单片机快速实现CRC校验的算法进行了研究，编制了单片机CRC校验的程序。
(6)系统的测试。实验室网络系统各组成部分的功能实现后，对系统进行了测试。
There already is a common acquaintance in universities to importance of experiment in higher education, and universities have making enormous efforts to provide better condition. To establish open laboratory has been orientation that ask for a higher management on experimental equipment. Considering the problems that exist in the management of equipments in laboratory, a new structure of laboratory based on the rapidly developing field bus system has been realized:
1. A total layout of laboratory network based on field bus is put forward.
2. Hardware realization of laboratory network system. A key
component of laboratory network system------MFCU (Multiple
Functions Control Unit) is given to meet the need of the variety of experiments.
3. Using RS-232 bus and RS-485 bus, some researchs were made on communication between different CPUs, and realized the network between experimental equipments that have different interfaces.
4. Software realization of laboratory network system. The software for computer inspecting and controling experimental equipments and the software for MFCU are realized after designing the layered communication protocol.
5. How to realize CRC algorithm in microchip has been discussed in this paper, and the related coding work has been done.
6. Testing of the whole system. Having construted the whole system, a test to secure the reliability of the system has been taken.
引文
[1] 中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定[R]．1996-6-13．
[2] 晨风．加速实践基地建设实施综合素质教育[J]．实验技术管理，2000，17(4)：112-113．
[3] 沈元华．改革实验教学 推进素质教育[J]．实验室研究与探索，2001，20(2)：34-37．
[4] 李维祥，等．关于实验教学内容及方法改革的实践与再认识[J]．实验技术与管理，2001，18(2)：7-9．
[5] 王义遒．当前实验教学改革的几个问题[J]．实验技术管理，2000，17(4)：1-5．
[6] 姜晓冰，等．21世纪实验室和实验设备管理发展趋势初探[J]．实验技术与管理，2001，18(2)：55-58．
[7] 李景奇．高校的改革发展与实验室工作的探讨[J]．实验室研究与探索，2001，20(6)：1-6．
[8] James A. Rehg, William H. Swain, Brian P. Yangula. Fieldbus in the Process Control Laboratory-Its Time Has Come [J]. 29th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, 13b4-12.
[9] 张雪申，王慧锋．TDC-3000集散控制系统[M]．北京：化学工业出版社，1997．
[10] 阳宪惠．现场总线技术[M]．北京：清华大学出版社，1999．
[11] 沈德耀，金敏。现场总线纵横谈[J]．基础自动化，2000，7(4)：1-5
[12] Donal Heffernan. A Technical Overview of Fieldbus Developments from Origins to Present Day Standards [J].1997
[13] Foundation Specification System Architecture. Fieldbus Foundation, 2000.11
[14] 程晓琳，徐用懋．现场总线控制网络模型与网络集成[J]．测控技术，2000，19(10)：35-37．
[15] 夏德海．现场总线及其标准化[J]．仪器仪表标准化与计量．1998，(1)：11-15
[16] B&B Electronic Mfg. co. Inc. RS-422 and RS-485 Application Note.http://www.bb-elec. com
[17] 范逸之，陈立元．Visual Basic与RS-232串行通信控制[J]．北京：中国青年出版社，2002．
[18] 王有绪．PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M]．北京：北京航控航天大学出版社，2000．
[19] Andrew S．Tanenbaum计算机网络(第三版)[M]．北京：清华大学出版社，1998．
[20] 陈明．局域网络[M]．北京：中国电力出版社，2000．
[21] 李永东．基于新型总线的多CPU并行工作的单片机系统[D]．浙江大学硕士学位论文，2001．
[22] 尤一鸣，傅景义．单片机总线扩展技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[23] 魏庆福，等．STD总线工业控制机的设计与应用科学出版社，1991．6
[24] 胡汉才．单片机原理及其接口技术[M]．北京：清华大学出版社，1996
[25] 张毅刚，等．MCS-51单片机应用设计M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，1990．
[26] 何立民．单片机应用技术选编(2)．北京：北京航空航天大学出版社，1993．7
[27] 何立民．单片机应用技术选编(5)．北京：北京航空航天大学出版社，1997．10
[28] 何立民．单片机应用技术选编(6)．北京：北京航空航天大学出版社，1998．10
[29] 王福瑞，等．编著．单片微机测控系统设计大全[J]．北京：北京航空航天大学出版社，1998．4．
[30] 孙文杰．微型计算机硬件接口实用编程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1996．
[31] 皱逢兴．微型计算机接口原理与技术[M]．长沙：国防科技大学出版社，1993．
[32] 虞日跃，史洪源．RS-485的理论与实践[J]．电子技术应用，2001，027(011)：55-57
[33] Keil C51使用技巧及实战，周立功单片机，http://www.zlgmcu.com.
[34] 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航控航天大学出版社，1993．
[35] 何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计．北京航空航天大学出版社，1990
[36] 马明建，周长城．数据采集与处理技术[M]．西安交通大学出版社，1998
[37] 孙涵芳，徐爱卿．MCS-51／96系列单片机原理及应用．北京航空航天大学出版社，1996
[38] 《实用电子电路手册(数字电路分册)》编写组．实用电子电路手册数字电路分册[M]．高等教育出版社，1992
[39] 《中国集成电路大全》编写委员会．中国集成电路大全TTL集成电路[M]．国防工业出版社，1985．
[40] 何立民．单片机高级教程应用与设计[M]．北京：北京航控航天大学出版社，2000．
[41] 徐旭，李玉珏．单片机可靠性设计的系统恢复技术[J]．微小型计算机开发与应用，1996，(1)：-35-37．
[42] 闫大顺等．集散控制系统的抗干扰措施[J]．电子技术，2000，27(5)：62-64
[43] Philips:Data Handbook IC20. 80c51_Based 8_bit Microcontrollers. 1997
[44] Maxim intergrated Products. MAX705-MAX708MAX813L, 1995
[45] David J. Kruglinski, Scot Wingo, George Shepherd. Visual C++6.0技术内幕(第五版)[M]．北京：北京希望电子出版社，1999．
[46] Kate Gregory．Visual C++6开发使用手册[M]．北京：机械工业出版社，1999．
[47] Michael J．Young．Visual C++6从入门到精通[M]．北京：机械工业出版社，1999．
[48] 曲朋东．基于网络的机械设计实验教学与管理系统[D]．浙江大学硕士学位论文，2001．
[49] 严峻，等．Windows9x环境下用VC++实现串行通信的三种方法[J]．低压电器，2001，(6)．-31-33，36
[50] 颜波，等．基于Win32 API函数和多线程技术的串行通信编程[J]．计算机工程与应用，2002，38(18)．-136-136，181
[51] 岳兵，等．基于多线程的Win9x异步串行通信的编程实现[J]．信息技术(哈尔滨)2002，(3)46-47，65．
[52] 李朝青．PC机及单片机数据通信技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000．
[53] 林继建，吴明光．PC机和单片机串行通信程序设计[J]．计算机应用研究，2001，185)
[54] 谭浩强．C程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1991．
[55] 徐爱钧，彭秀华．单片机高级语言C51应用程序设计[M]．北京：电子工业出版社，1998．
[56] 马忠梅．单片机C语言应用程序设计[M]．北京：北京航控航天大学出版社，1997．
[57] 罗勇，等．一种RS—485总线自定义通信协议及其应用[J]．单片机与嵌入式系统应用，2002，(6)-25-27
[58] 何立民．单片机应用技术选编(2)[C]．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[59] 史兴安，姜智忠．RS-485总线在实时控制中的应用[J]．微电子学与计算机，2001，(2)：49-51．
[60] 相关技术和标准[DB]．http://www.sw.cims.edu.cn/technology/fms/tech_newcri.ht m#1.
[61] 常晓明．潘卫华，王建东．CRC校验及其软件实现．电子技术应用，1995(6)
[62] 隗永安．CRC-16编码在单片机数据传输系统中的实现[J]．探测与控制学报，2000，22(2)：60-64．
[63] 瞿中，徐问之．单片机通信中的CRC算法[J]．微机发展，2001，4：74-76．
[64] 米根锁．CRC检验码的软件实现及其在通信中的应用[J]．兰州铁道学院学报，2000，19(3)：42-44．
[65] 鲁怀伟，将占军．CRC检错码校验方法的快速实现[J]．兰州铁道学院学报，2001，20(3)：70-72
[2] 晨风．加速实践基地建设实施综合素质教育[J]．实验技术管理，2000，17(4)：112-113．
[3] 沈元华．改革实验教学 推进素质教育[J]．实验室研究与探索，2001，20(2)：34-37．
[4] 李维祥，等．关于实验教学内容及方法改革的实践与再认识[J]．实验技术与管理，2001，18(2)：7-9．
[5] 王义遒．当前实验教学改革的几个问题[J]．实验技术管理，2000，17(4)：1-5．
[6] 姜晓冰，等．21世纪实验室和实验设备管理发展趋势初探[J]．实验技术与管理，2001，18(2)：55-58．
[7] 李景奇．高校的改革发展与实验室工作的探讨[J]．实验室研究与探索，2001，20(6)：1-6．
[8] James A. Rehg, William H. Swain, Brian P. Yangula. Fieldbus in the Process Control Laboratory-Its Time Has Come [J]. 29th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, 13b4-12.
[9] 张雪申，王慧锋．TDC-3000集散控制系统[M]．北京：化学工业出版社，1997．
[10] 阳宪惠．现场总线技术[M]．北京：清华大学出版社，1999．
[11] 沈德耀，金敏。现场总线纵横谈[J]．基础自动化，2000，7(4)：1-5
[12] Donal Heffernan. A Technical Overview of Fieldbus Developments from Origins to Present Day Standards [J].1997
[13] Foundation Specification System Architecture. Fieldbus Foundation, 2000.11
[14] 程晓琳，徐用懋．现场总线控制网络模型与网络集成[J]．测控技术，2000，19(10)：35-37．
[15] 夏德海．现场总线及其标准化[J]．仪器仪表标准化与计量．1998，(1)：11-15
[16] B&B Electronic Mfg. co. Inc. RS-422 and RS-485 Application Note.http://www.bb-elec. com
[17] 范逸之，陈立元．Visual Basic与RS-232串行通信控制[J]．北京：中国青年出版社，2002．
[18] 王有绪．PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M]．北京：北京航控航天大学出版社，2000．
[19] Andrew S．Tanenbaum计算机网络(第三版)[M]．北京：清华大学出版社，1998．
[20] 陈明．局域网络[M]．北京：中国电力出版社，2000．
[21] 李永东．基于新型总线的多CPU并行工作的单片机系统[D]．浙江大学硕士学位论文，2001．
[22] 尤一鸣，傅景义．单片机总线扩展技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[23] 魏庆福，等．STD总线工业控制机的设计与应用科学出版社，1991．6
[24] 胡汉才．单片机原理及其接口技术[M]．北京：清华大学出版社，1996
[25] 张毅刚，等．MCS-51单片机应用设计M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，1990．
[26] 何立民．单片机应用技术选编(2)．北京：北京航空航天大学出版社，1993．7
[27] 何立民．单片机应用技术选编(5)．北京：北京航空航天大学出版社，1997．10
[28] 何立民．单片机应用技术选编(6)．北京：北京航空航天大学出版社，1998．10
[29] 王福瑞，等．编著．单片微机测控系统设计大全[J]．北京：北京航空航天大学出版社，1998．4．
[30] 孙文杰．微型计算机硬件接口实用编程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1996．
[31] 皱逢兴．微型计算机接口原理与技术[M]．长沙：国防科技大学出版社，1993．
[32] 虞日跃，史洪源．RS-485的理论与实践[J]．电子技术应用，2001，027(011)：55-57
[33] Keil C51使用技巧及实战，周立功单片机，http://www.zlgmcu.com.
[34] 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航控航天大学出版社，1993．
[35] 何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计．北京航空航天大学出版社，1990
[36] 马明建，周长城．数据采集与处理技术[M]．西安交通大学出版社，1998
[37] 孙涵芳，徐爱卿．MCS-51／96系列单片机原理及应用．北京航空航天大学出版社，1996
[38] 《实用电子电路手册(数字电路分册)》编写组．实用电子电路手册数字电路分册[M]．高等教育出版社，1992
[39] 《中国集成电路大全》编写委员会．中国集成电路大全TTL集成电路[M]．国防工业出版社，1985．
[40] 何立民．单片机高级教程应用与设计[M]．北京：北京航控航天大学出版社，2000．
[41] 徐旭，李玉珏．单片机可靠性设计的系统恢复技术[J]．微小型计算机开发与应用，1996，(1)：-35-37．
[42] 闫大顺等．集散控制系统的抗干扰措施[J]．电子技术，2000，27(5)：62-64
[43] Philips:Data Handbook IC20. 80c51_Based 8_bit Microcontrollers. 1997
[44] Maxim intergrated Products. MAX705-MAX708MAX813L, 1995
[45] David J. Kruglinski, Scot Wingo, George Shepherd. Visual C++6.0技术内幕(第五版)[M]．北京：北京希望电子出版社，1999．
[46] Kate Gregory．Visual C++6开发使用手册[M]．北京：机械工业出版社，1999．
[47] Michael J．Young．Visual C++6从入门到精通[M]．北京：机械工业出版社，1999．
[48] 曲朋东．基于网络的机械设计实验教学与管理系统[D]．浙江大学硕士学位论文，2001．
[49] 严峻，等．Windows9x环境下用VC++实现串行通信的三种方法[J]．低压电器，2001，(6)．-31-33，36
[50] 颜波，等．基于Win32 API函数和多线程技术的串行通信编程[J]．计算机工程与应用，2002，38(18)．-136-136，181
[51] 岳兵，等．基于多线程的Win9x异步串行通信的编程实现[J]．信息技术(哈尔滨)2002，(3)46-47，65．
[52] 李朝青．PC机及单片机数据通信技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000．
[53] 林继建，吴明光．PC机和单片机串行通信程序设计[J]．计算机应用研究，2001，185)
[54] 谭浩强．C程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1991．
[55] 徐爱钧，彭秀华．单片机高级语言C51应用程序设计[M]．北京：电子工业出版社，1998．
[56] 马忠梅．单片机C语言应用程序设计[M]．北京：北京航控航天大学出版社，1997．
[57] 罗勇，等．一种RS—485总线自定义通信协议及其应用[J]．单片机与嵌入式系统应用，2002，(6)-25-27
[58] 何立民．单片机应用技术选编(2)[C]．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[59] 史兴安，姜智忠．RS-485总线在实时控制中的应用[J]．微电子学与计算机，2001，(2)：49-51．
[60] 相关技术和标准[DB]．http://www.sw.cims.edu.cn/technology/fms/tech_newcri.ht m#1.
[61] 常晓明．潘卫华，王建东．CRC校验及其软件实现．电子技术应用，1995(6)
[62] 隗永安．CRC-16编码在单片机数据传输系统中的实现[J]．探测与控制学报，2000，22(2)：60-64．
[63] 瞿中，徐问之．单片机通信中的CRC算法[J]．微机发展，2001，4：74-76．
[64] 米根锁．CRC检验码的软件实现及其在通信中的应用[J]．兰州铁道学院学报，2000，19(3)：42-44．
[65] 鲁怀伟，将占军．CRC检错码校验方法的快速实现[J]．兰州铁道学院学报，2001，20(3)：70-72