1 系统拓扑结构：
整个系统是一个基于RS-485物理协议，自定现场设备通信协议和标准现场总线协议共存，实现数据传输与信息交换的现场总线系统。包括监控层、通信层、现场设备层三部分。系统结构如图1所示。
1.1监控层
用工控机作为车间级监控服务器，接收底层现场设备传送的数据并组建数据库，实现对现场设备的监控管理，进行工艺参数的设定和修改。同时可以通过Intranet/Internet技术与企业局域网或远程控制网站相连。
1.2通信层
约定通信协议与各底层现场设备通信。由MOXA CP-114IS、研华ADMA-4510S(中继器)形成基于RS-485物理协议的现场总线。其中，中继器主要是考虑到现场设备与车间级监控服务器通信距离远时选用。
1.3现场设备层
由数台电子清纱器、温湿度传感器以及LED条屏显示器构成。其中与电子清纱装置的连接是利用8251 USART(Universal Synchromous/Asynchronous Receiver/Transmitter)芯片，加入RS-485通信驱动电路形成数字通信接口，在保证原有功能不受影响的前提下，通过通信层与监控层交换数据。
2 通信层设计
2.1通信协议
监控层工控机(称主机，以下同)通过PCI通信控制卡(MOXA CP-114IS)的COM端口形成基于RS-485物理协议的现场总线，最大可与127台现场设备电子清纱器(称从机，以下同)进行主从通信。从机核心为Intel 8031单片机，异步串行通信波特率可达19.2Kbps;每一字节传送数据共有11位：1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个停止位。主机与从机通过通信层以数据包形式传送数据，数据包格式如表1所示。
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表1 通信数据包格式
其中：55H,AAH分别为帧头和帧尾，用于标识一个完整的数据包;数据包第2字节中的D6~D0为下位机的唯一地址编码，确保某一时刻通信链路的唯一性，D7位用于标识数据流的方向，便于处在总线上的各节点判断数据流向,并配合地址码表示每一数据包的目的地址或源地址;数据包3、4字节同为数据包的长度,以增强通信的可靠性;第5字节为操作码+项目码共同组成的命令码，并结合数据流标志明确通信命令所表示的内容和动作要求(如设定，查询，正反向应答等);紧接着的部分为数据包的可变信息体，根据不同的通信项目由主机下传的参数或是从机上传应答的数据组成;校验和采用字节累加(不计进位)，保留最低字节计算的结果，确保数据包传递的正确性。
2.2通信过程
通信采取主从应答方式，主机首先发送地址帧作为握手，被寻址的从机应答主机，建立连接;在判断地址符合后，主机给被寻址的从机发送控制命令，被寻址的从机根据其命令向主机回送相应的数据或应答。同时所有未被寻址的从机根据通信协议监听总线上的下行数据(以主机为参考点)，以便取得地址信息与主机建立连接。
现场设备层设计
3.1现场设备层硬件设计
现场设备层每台现场设备均由16个前级数据采集处理器(实时采集120路纱线信号，采用RS-422全双共总线与后级单片机通信)和1个后级单片机构成监控装置。为了实现与上位监控层的数字通信，加入RS-485通信驱动电路。
图3 现场设备层硬件原理框图
3.2现场设备层软件设计
作为现场设备的电子清纱器是一个24小时不间断运行的多任务实时监控装置。由于该装置要检测跑纱平均速度为600m/min，共120路纱线的纱线截面变化信号，使其具有很高的实时性要求;同时还要实现相应的动作控制(如对有害纱疵的切除等)以及后级单片机系统的实时处理，显示、统计等功能，又决定了该装置的多任务性。这样在保证原系统的实时性和多任务性的同时，加入现场设备层的通信软件在编写时就有了一定的特殊性。我们借鉴Windows编程的原理，在单片机编程中进入消息概念，进行基于消息的多任务机制编程。从机的监控软件主要流程如图4所示(主要对通信部分说明)。
图4 从机监控软件主要流程图(左—主程序 ，右—T0中断程序通信部分)
其中：主程序主要完成上电自检、消息巡检、按照消息队列组织通信信息体、数据发送、功能键散转、验校设备等工作。为了保证系统的实时性，必须减少中断服务的时间占用，因此在中断程序中只做简短的消息标志处理和必要工作。大量的消息响应工作则利用中断的间隙进行处理。
T0中断每0.5毫秒产生一次，该段程序是整个从机任务的管理员，是现场设备程序的核心。T0主要完成总线上数据的接收和判断、采用时间片算法完成对纱线信号采集器的通信控制、车速的采集、产质量记录等任务。值得说明的是，为了保证从机的实时性，没有采用常规的中断通信接收或等待查询的接收编程方式，而是结合T0中断时间的周期性和异步串行数据传输的特点，定时做数据接收端的扫描，完成数据的接收(这部分程序占时不应大于60个机器周期,否则影响主程响应的实时性);当主程监测到有完整数据包到来标志后，进行数据包的流向、地址以及正确性分析并置欲发送信息的装配标志;同样当主程巡检消息队列时发现信息装备标志后，则分析主机命令、装备信息、建立发送标志，并以消息的形式通知主程用查询方式发送数据包。这样做不仅可以提高中断的响应速度，又不影响数据的处理和其他任务的执行。很好的解决了多中断实时数据响应与数据处理耗时之间的矛盾，从而提高了系统的实时性。
