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【摘 要】本文首先介绍了什么是串行通讯，然后介绍了串口通讯可行性分析，最后介绍了令牌环网串行通讯控制系统的设计。
【关键词】令牌环网；串行通讯；控制系统
一、前言
令牌环网通讯，可以使控制系统和节点设备实时通讯，实现数据信息融合和集中控制，并有效延长串行通讯的距离，提高通讯质量。
二、串行通讯介绍
串行通讯是指外设和计算机间使用一根数据信号线，数据从一根数据信号线上按位进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。串行通讯是基于串行口传送数据的，串行口的本质就是实现CPU与外围数据设备的数据格式转换（或者称为串并转换器），即当数据从外围设备输入计算机时，数据格式由位（bit）转化为字节数据；反之，当计算机发送下行数据到外围设备时，串口又将字节数据转化为位数据。
三、串口通讯可行性分析
串口通讯接口是一个两线制异步串行接口，通常称为通用异步收发传输器UART。这种通讯方式硬件实现容易，通讯格式简单，适合于近距离、小流量的通讯系统。本系统采用这种通讯方式主要有以下几个原因：（1）本系统的通讯数据量不大，尤其是两个PLC之间的数据量较小；（2）通讯数据种类较多，需要一种易于控制数据格式的通讯方式，异步串口的单字节通讯方式便于软件控制数据格式；（3）串口是一种较为常用的通讯接口，现有的PC机和我们所使用的PLC均有现成的串行口可以使用。（4）通讯距离很近，两个PLC距离不超过30cm，到PC机的距离不超过2m。
四、令牌环网串行通讯控制系统的设计
1、控制系统结构。设计了基于令牌环网串行通讯的管理控制系统，其结构，如1所示。整个系统由控制模块，通讯模块，显示模块，监控模块等部分组成。系统采用了模块化思想，组成方式灵活，具有良好的扩展能生。控制系统由以计算机为核心的微处理器，输入输出设备及串行通讯模块组成；节点设备由以PLC为核心的驱动控制系统，传感器反馈系统，输入输出设备以及通讯模块组成。
控制系统可以控制和监控每个节点设备的工作状态，各节点设备可以控制和监控该节点设备各部分的工作，节点设备与节点设备之间以及控制系统与节点设备之间通过令牌环网串行通讯连接构成通讯网络体系，液晶显示屏和控制面板可及时准确的反映出每个节点设备的工作状态。
2、组成部分概述
（一）、主控制系统
主控制系统采用高性能、功能强大、超低功耗的CS1系列PLC，该PLC具备如下特点：丰富的CPU、高功能单元构成自动化控制和过程控制为一体的结构化编程的中型PLC，高性能、高效率，具有友好开发环境、可扩展性好、数据链接等功能强大，系统总线通信速度翻倍、数据处理期间的周期时间变化减少，提高了指令执行速度和总体性能、能进行在线单元更换，使用高速、高精度的灵活运动控制改进机器性能，单电缆连接和灵活布线，节省的启动和维护时间。选用CS1系列PLC運用于该系统中显得十分必要。
（二）、显示模块
液晶显示屏采用金鹏显示屏，此型号液晶可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口；显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M一位中文字型ROM（CGROM）总共提供8192个中文字型。将I/O口与显示屏连接，就可以完成各种显示提示功能。面板显示电路，由三个15V的灯构成，通过继电器控制指示灯，完成相应状态的显示。
（三）、通讯模块
控制系统和节点设备之间以及节点设备与节点设备之间采用RS232进行通讯连接。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，具有以下电气特性：数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）=-3V～-15V，逻辑0（SPACE）=+3～+15V；在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V～+15V，信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V。
两个RS-232的传输距离大约20米，在设计中可知，从控制系统到各节点设备通讯距离是远大于20米的，显然我们不能使用让节点设备挂在总线的方式。因此，必须采用另外的设计方法来解决通讯距离长的问题。为了使通讯效果理想，该系统中我们将长距离的通讯改变为各控制系统之间一环扣一环的通讯方式，即A机发送的信号B机接收，B机发送的信号C机接收，依次这样连接最后一个节点设备，然后将最后的节点设备发送的信号送倒数第二号机，然后送上一个节点设备，此返回信号是不进节点设备处理器的，只是为了提高通讯电平，使得RS-232的通讯电平在回到主机时是可以满足通讯条件的，至此整个系统就组成一个环网。使用上述设计方法能有效提高通讯距离，同时又将点对点的通讯模式间接变成了点对多的通讯模式。实践证明此通讯设计方法可通讯100多米，通讯效果十分理想。通讯连接图，如图2所示。
（四）、监控设备
监控设备采用欧姆龙公司的接近开关和传感器等监控节点设备的工作情况，通过程序可以启动设备，由此控制各节点设备的传感器、接近开关等。通过传感器和接近开关就可以检测到每个节点设备的工作状态，通过定时器监控工作时间是否超时，同时利用程序内部的看门狗，监控设备程序执行情况。
3、程序设计 （一）、通讯协议
令牌环网是IBM公司于80年代中期推出的环形网，采用屏蔽或双绞线作为传输介质，传输速率为4Mbps或16Mbps。令牌环TokenRing是一种LAN协议，定义在IEEE802.5中。之所以称为环，是因为这种网络的物理结构具有环的形状。环上有多个站逐个与环相连，相邻站之间是一种点对点的链路。通过围绕环的令牌信息授予传输权限。
令牌环网符合IEEE802.5标准，采用了一种无冲突的介质访问控制协议，环中第一个加电激活的站点将成为活监督站，由它发布一个特殊的数据帧，称之为“令牌”，令牌在环上顺次传送。当某个站点抓到这个令牌，就有了“通行证”，可以在一个特定的时间内发送数据。当数据发送完或令牌指定时间到期之后，这个发送节点就必须放弃令牌，然后，令牌继续向下依次传递。除了发送节点以外，环上各节点一旦接收到令牌或数据帧都要转发，直到数据帧返回到发送节点后，再由发送节点删除数据帧并发出令牌。当前光纤网大多数采用令牌环标准。例如，FDDI（光纤分布数字接口）标准就采用令牌环方法，但它允许环上有多个令牌在传递，在100km范围内可接500个工作站，传输速率达100Mbpa。最新的光纤网技术传输速率能达到Gbps数量级。
（二）、程序设计思想
整个程序包括两部分：控制系统程序和节点设备程序。控制系统程序主要包括数据通讯程序和显示程序两部分。其中通讯程序的实现方法采用令牌环通讯方法，其思想如下：令牌环网是一种以环形网络拓扑结构为基础发展起来的局域网（环型网络）。控制器所构成的网络上高速运行着令牌，当某个节点设备的操作按钮按下后，节点设备就提出操作请求，经控制系统同意，节点设备拿到操作令牌，节点设备就此获得了执行操作的权利，其他节点设备锁死，不能进行任何操作；当获得令牌的节点设备完成其所有操作后，将令牌交出，其他节点设备被解锁，至此令牌继续在通讯总线上循环，等待操作。
（三）、主程序流程图
主程序流程图，如图4所示。
（四）、中断程序
当某节点设备的工作时间超过了设定时间时，峰鸣器就会呜叫以提醒工作人员该节点设备所处的工作状态，需要及时复位。中断子程序流程图，如图5所示。
（五）、節点设备程序
节点设备控制过程主要完成对该节点设备系统工作状态的监控和实时的数据传输，通过接近开关和控制按钮，及时读取状态信号，通过RS-232串口通讯将数据信号传送，当出现异常时，通过蜂呜器提醒工作人员及时处理情况。
五、结束语
基于令牌环网串行通讯的控制系统实用性强，能很好的完成对过程的管理，具有安全性和自动化程度高，性能可靠稳定等特点，能够保证实时的数据传输和工作过程的监控。
参考文献：
[1]赵奇平，龚仕宪.主从式串行通信在汽车装备生产线的应用.计算机应用，2010（8）
[2]吴金戍，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社，2010
[3]求是科技.单片机典型外围器件及应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2011
【关键词】令牌环网；串行通讯；控制系统
一、前言
令牌环网通讯，可以使控制系统和节点设备实时通讯，实现数据信息融合和集中控制，并有效延长串行通讯的距离，提高通讯质量。
二、串行通讯介绍
串行通讯是指外设和计算机间使用一根数据信号线，数据从一根数据信号线上按位进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。串行通讯是基于串行口传送数据的，串行口的本质就是实现CPU与外围数据设备的数据格式转换（或者称为串并转换器），即当数据从外围设备输入计算机时，数据格式由位（bit）转化为字节数据；反之，当计算机发送下行数据到外围设备时，串口又将字节数据转化为位数据。
三、串口通讯可行性分析
串口通讯接口是一个两线制异步串行接口，通常称为通用异步收发传输器UART。这种通讯方式硬件实现容易，通讯格式简单，适合于近距离、小流量的通讯系统。本系统采用这种通讯方式主要有以下几个原因：（1）本系统的通讯数据量不大，尤其是两个PLC之间的数据量较小；（2）通讯数据种类较多，需要一种易于控制数据格式的通讯方式，异步串口的单字节通讯方式便于软件控制数据格式；（3）串口是一种较为常用的通讯接口，现有的PC机和我们所使用的PLC均有现成的串行口可以使用。（4）通讯距离很近，两个PLC距离不超过30cm，到PC机的距离不超过2m。
四、令牌环网串行通讯控制系统的设计
1、控制系统结构。设计了基于令牌环网串行通讯的管理控制系统，其结构，如1所示。整个系统由控制模块，通讯模块，显示模块，监控模块等部分组成。系统采用了模块化思想，组成方式灵活，具有良好的扩展能生。控制系统由以计算机为核心的微处理器，输入输出设备及串行通讯模块组成；节点设备由以PLC为核心的驱动控制系统，传感器反馈系统，输入输出设备以及通讯模块组成。
控制系统可以控制和监控每个节点设备的工作状态，各节点设备可以控制和监控该节点设备各部分的工作，节点设备与节点设备之间以及控制系统与节点设备之间通过令牌环网串行通讯连接构成通讯网络体系，液晶显示屏和控制面板可及时准确的反映出每个节点设备的工作状态。
2、组成部分概述
（一）、主控制系统
主控制系统采用高性能、功能强大、超低功耗的CS1系列PLC，该PLC具备如下特点：丰富的CPU、高功能单元构成自动化控制和过程控制为一体的结构化编程的中型PLC，高性能、高效率，具有友好开发环境、可扩展性好、数据链接等功能强大，系统总线通信速度翻倍、数据处理期间的周期时间变化减少，提高了指令执行速度和总体性能、能进行在线单元更换，使用高速、高精度的灵活运动控制改进机器性能，单电缆连接和灵活布线，节省的启动和维护时间。选用CS1系列PLC運用于该系统中显得十分必要。
（二）、显示模块
液晶显示屏采用金鹏显示屏，此型号液晶可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口；显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。内置2M一位中文字型ROM（CGROM）总共提供8192个中文字型。将I/O口与显示屏连接，就可以完成各种显示提示功能。面板显示电路，由三个15V的灯构成，通过继电器控制指示灯，完成相应状态的显示。
（三）、通讯模块
控制系统和节点设备之间以及节点设备与节点设备之间采用RS232进行通讯连接。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，具有以下电气特性：数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）=-3V～-15V，逻辑0（SPACE）=+3～+15V；在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V～+15V，信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V。
两个RS-232的传输距离大约20米，在设计中可知，从控制系统到各节点设备通讯距离是远大于20米的，显然我们不能使用让节点设备挂在总线的方式。因此，必须采用另外的设计方法来解决通讯距离长的问题。为了使通讯效果理想，该系统中我们将长距离的通讯改变为各控制系统之间一环扣一环的通讯方式，即A机发送的信号B机接收，B机发送的信号C机接收，依次这样连接最后一个节点设备，然后将最后的节点设备发送的信号送倒数第二号机，然后送上一个节点设备，此返回信号是不进节点设备处理器的，只是为了提高通讯电平，使得RS-232的通讯电平在回到主机时是可以满足通讯条件的，至此整个系统就组成一个环网。使用上述设计方法能有效提高通讯距离，同时又将点对点的通讯模式间接变成了点对多的通讯模式。实践证明此通讯设计方法可通讯100多米，通讯效果十分理想。通讯连接图，如图2所示。
（四）、监控设备
监控设备采用欧姆龙公司的接近开关和传感器等监控节点设备的工作情况，通过程序可以启动设备，由此控制各节点设备的传感器、接近开关等。通过传感器和接近开关就可以检测到每个节点设备的工作状态，通过定时器监控工作时间是否超时，同时利用程序内部的看门狗，监控设备程序执行情况。
3、程序设计 （一）、通讯协议
令牌环网是IBM公司于80年代中期推出的环形网，采用屏蔽或双绞线作为传输介质，传输速率为4Mbps或16Mbps。令牌环TokenRing是一种LAN协议，定义在IEEE802.5中。之所以称为环，是因为这种网络的物理结构具有环的形状。环上有多个站逐个与环相连，相邻站之间是一种点对点的链路。通过围绕环的令牌信息授予传输权限。
令牌环网符合IEEE802.5标准，采用了一种无冲突的介质访问控制协议，环中第一个加电激活的站点将成为活监督站，由它发布一个特殊的数据帧，称之为“令牌”，令牌在环上顺次传送。当某个站点抓到这个令牌，就有了“通行证”，可以在一个特定的时间内发送数据。当数据发送完或令牌指定时间到期之后，这个发送节点就必须放弃令牌，然后，令牌继续向下依次传递。除了发送节点以外，环上各节点一旦接收到令牌或数据帧都要转发，直到数据帧返回到发送节点后，再由发送节点删除数据帧并发出令牌。当前光纤网大多数采用令牌环标准。例如，FDDI（光纤分布数字接口）标准就采用令牌环方法，但它允许环上有多个令牌在传递，在100km范围内可接500个工作站，传输速率达100Mbpa。最新的光纤网技术传输速率能达到Gbps数量级。
（二）、程序设计思想
整个程序包括两部分：控制系统程序和节点设备程序。控制系统程序主要包括数据通讯程序和显示程序两部分。其中通讯程序的实现方法采用令牌环通讯方法，其思想如下：令牌环网是一种以环形网络拓扑结构为基础发展起来的局域网（环型网络）。控制器所构成的网络上高速运行着令牌，当某个节点设备的操作按钮按下后，节点设备就提出操作请求，经控制系统同意，节点设备拿到操作令牌，节点设备就此获得了执行操作的权利，其他节点设备锁死，不能进行任何操作；当获得令牌的节点设备完成其所有操作后，将令牌交出，其他节点设备被解锁，至此令牌继续在通讯总线上循环，等待操作。
（三）、主程序流程图
主程序流程图，如图4所示。
（四）、中断程序
当某节点设备的工作时间超过了设定时间时，峰鸣器就会呜叫以提醒工作人员该节点设备所处的工作状态，需要及时复位。中断子程序流程图，如图5所示。
（五）、節点设备程序
节点设备控制过程主要完成对该节点设备系统工作状态的监控和实时的数据传输，通过接近开关和控制按钮，及时读取状态信号，通过RS-232串口通讯将数据信号传送，当出现异常时，通过蜂呜器提醒工作人员及时处理情况。
五、结束语
基于令牌环网串行通讯的控制系统实用性强，能很好的完成对过程的管理，具有安全性和自动化程度高，性能可靠稳定等特点，能够保证实时的数据传输和工作过程的监控。
参考文献：
[1]赵奇平，龚仕宪.主从式串行通信在汽车装备生产线的应用.计算机应用，2010（8）
[2]吴金戍，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社，2010
[3]求是科技.单片机典型外围器件及应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2011