计算机监控系统仿真开发平台研究

关键词: 数字 I/O 模块；模拟量输入模块；协议转换器；串行通信；仿真 中图分类号： TP391.9 文献标识码： A
Imitated Development Platform of Computer Monitor System
Ma Yuchun （Hainan Key Laboratory of Embedded Systems at Qiongzhou University, Sanya 572022， China）
【Key Words】 Digital
Imitation
I/O module; Analog input module; Protocol converter; Serial communication;
1 引言
计算机监控系统是以监测控制计算机为主体， 加上检测装置、 执行机构与被监测控制的 对象共同构成的整体。在这个系统中，计算机直接参与被监控对象的检测、监督和控制[1]。 检测主要是通过传感器和相应的输入模块来取得被监控对象的状态数据， 监督主要是对状态 数据进行分析后给操作员提供手动操作的参考， 控制则是手动或按照一定的策略自动地对被 监控对象执行相应的操作。 由此可见， 检测与控制模块是计算机监控系统直接跟被监控对象 关联的不可或缺的输入输出（I/O）模块，学习和研究这些模块对计算机监控系统的辅助开 发、测试与教学等都具有重要意义。 I/O 模块一般配置有串行通信接口，本文用软件仿真 8 路数字量（又称开关量）输入模 块（Digital Input Module，DIM） 、8 路数字量输出模块（Digital Output Module，DOM）以 及 8 路模拟量输入模块（Analog Input Module，AIM） ，这些模块均可以通过串行接口与主 控程序联系。另外，还开发了 RS-232/RJ-45 和 RS-232/RS-232 协议转换器，前者实现 TCP 协议与串行通信协议的转换，可以将只有 15 米的串行通信扩展到 Internet；后者可以将波特 率、协议相异的两台设备连接起来，并可截取其中的通信协议。在这些仿真模块与协议转换 器的基础之上， 搭建了一个计算机监控系统的仿真开发平台， 并建立了串行通信协议的远程 截取模型。仿真开发平台可以零成本安装在计算机房，节约大量教学设备经费的投入。
主控程序 AIM AIM-DOM 桥
图 5 AIM 与 DOM 通过主控程序绑定
DOM
另 AIM 中对应的温度呈上升趋势，否则，呈下降趋势，其原理如图 5 所示。
4 仿真模块的可视化模型
仿真模块的软件界面的可视化模型如图 6 所示。 模块表示区用来模拟实际的模块， 对于 DIM 模块，输入开关根据设定的时间随机闭合/打开，并通过图形表示；对于 DOM 模块， 用有源电路回路表示输出开关的状态，例如，开关闭合，播放铃声或灯亮等；对于 AIM 模 块，用图形表示检测回路，并在检测点旁边显示温度的原始数据。每个模块都设置数据接收 和发送指示灯，显示数据收发的状态。 功能按钮区设置系统设置按钮和及关闭程序按钮。 系统设置主要完成波特率、 串行通信 的端口号、校验码、结尾码、模块地址等的设置，对于 DIM 模块，还需要设置随机切换输 入开关所需要的时间段。 协议描述区显示本仿真模块适用的通信协议，包括协议的格式及其具体的含义。
T T k step
3 通信协议的设计
(1)
相同类型（或厂家）的模块一般采用相同的前导字符，EOT 是一个特殊的 ASCII 字符 （0x04） ，常被用作控制字符，这里的仿真模块全部采用 EOT 作为前导字符。 计算机所连接的 I/O 模块比较多， CPU 为了与连接的设备相互沟通， 必须给设备设置一 个编号，从而使 CPU 可以通过每个设备独一无二的编号与不同的设备作沟通，这个设备就 是地址，用 ADD 表示，地址占用一个字节。 功能码主要包括读功能码（用 RD 表示）和写功能码（用 WD 表示） 。RD 用字符“R” （0x52）表示，WD 用字符“W” （0x57）表示。由于该仿真模块的状态较少，所以，不需 要设置读写的内部数据地址。 BCC 为数据块校验码，一般有 Xor、Add、CRC、CheckSum 几种。Xor 与 Add 分别是 异或与累加和，占一个字节的长度；CRC 与 CheckSum 分别是循环冗余校验码与 TCP/IP 协 议簇中所使用的累加求补校验码， 分别占两个字节。 这里的仿真模块提供 4 种数据块校验方 式，根据程序设置进行选择。
2
不少模块以回车 CR（0x0d）作为结尾标志 EM（End Message） ，而 TCP/IP 协议簇（如 HTTP，POP3 等）较多地采用 CRLF（0x0d0a）作为结尾标志，这里的仿真模块也提供这两 种结尾标志，根据程序设置进行选择。 根据以上设计与分析可知，读取仿真模块状态的命令协议如图 2 所示，其中，ADD 的 范围为 1 至 255，可由程序进行设置，这样，一台主控设备可以连接多达 255 个仿真模块。 BCC 和 EM 的种类也可以根据需要由程序进行设置（下同） 。 仿真模块的读响应协议如图 3 所示，其中， “STX” （Start of message， 0x02）表示开始 对主控机进行响应， “DT” （Data）表示 1 个字节的状态数据（具体含义如图 1 所示）或原 始温度值。读协议及其响应协议针对所有的仿真模块。
IN7
IN6
IN5
IN4
IN3
IN2
IN低位
1 位来表示，1 表示闭合，0 表示打开（下同） ，如图 1 所示。 开关量根据程序设定的时间段，进行随机切换。以系统时钟作为种子，产生一个 0-7 的 随机数，采用两种方式进行切换，例如，如果随机数为 3，则 IN3 位为 1，其它为 0；或者 取 IN0-IN3 均为 1，其它均为 0，具体通过程序设置进行选择。DIM 的 RS-232 接口通信参 数可以根据要求进行设置。 2.2 DOM 模块的设计 DOM 模块用于开关量输出， 对被监控对象进行控制， 其策略的实施主要来自 DIM 状态 的变化或下文的 AIM 超过设置值。8 路开关量输出的状态分别用一个字节中的 1 位来表示， 1 表示闭合， 0 表示打开 （参见图 1） 。 DOM 中的每个开关都可以通过 RS-232 接口进行控制。 2.3 AIM 模块的设计 AIM 模块用来采集模拟量。所要监控的物理量通过传感器转换成电信号，电信号经过 变送器转换成合适的信号后，由 A/D 转换器转换成数值。AIM 模块设置了 8 路模拟量输入， 为了便于理解，取温度值，温度的范围为 20-100℃，对应一个字节范围 0-255。因而，需要 将接收到的字节转换为对应的温度值。温度的变化见赋值语句（1）所示，其中，T 表示温 度；k 为系数，只有两个取值，当 k 为 1 时，温度增加，当 k 为-1 时，温度降低，但是，在 0-255 的范围内变化；step 是节拍。变化趋势 k 和一个节拍所需要的时间，根据程序设定。
2 仿真模块的设计
1
在实际的工程项目中，数据采集模块和控制模块一般采用 RS-485 接口，因为这种接口 只需要两根连接线，施工方便，同时，传输距离可以达到 1200 米左右。一般计算机都配有 RS-232 接口，可以通过 RS-232/RS-485 转换器进行转换，从而实现计算机与 RS-485 接口的 模块进行通信。所以，仿真模块全部采用 RS-232 接口。 2.1 DIM 模块的设计 DIM 模块用来采集开关量，这些开关量的改变一般是由于所监控变量的变化突破阈值 而引起，所采集的开关量主要用于报警或控制。8 路开关量输入的状态分别用一个字节中的
计算机监控系统仿真开发平台研究
马玉春 （琼州学院海南省嵌入式系统重点实验室 三亚 572022） 摘要: 计算机监控系统广泛应用于众多领域。数字 I/O 模块与模拟量输入模块是其中最常用的模块，
设计了操作这些模块的通信协议， 用软件进行了仿真； 开发了 RS-232/RJ-45 与 RS-232/RS-232 协议转换器， 延长了计算机监控的通信距离，并可以实现计算机监控系统的远程维护与协议截取。最后，用仿真模块和 协议转换器搭建了一个计算机监控系统的仿真开发平台。
EOT ADD RD BCC EM
图 2 读命令
STX ADD
DT
BCC
EM
图 3 读命令的响应
EOT ADD
WD
DT
BCC
EM
图 4 写命令
写命令协议如图 4 所示，主要针对 DOM 模块，控制输出开关；同时，也针对 AIM 模 块，用来控制温度变化的趋势。因为对于实际的 AIM 模块，比如，用来检测温度，如果对 应的加热电路闭合，检测点的温度将上升，否则，将下降。仿真 AIM 模块与 DOM 模块相 对独立， 是用两个独立的程序完成对应的功能， 因而， 需要在主控程序中将 AIM 模块与 DOM 模块进行绑定，定期将 DOM 模块中的 DT 写入 AIM 模块，如果 DOM 中对应的位为 1，则
【Abstract】The computer monitor systems are almost used in every field nowadays. Imitated digital input
and output modules, analog input module concerning computer monitor system are designed, including the protocols to operate these ones. RS-232/RJ-45 and RS-232/RS-232 protocol converters are developed to extend the distance of computer monitor system covered, furthermore, remote serial communication protocols capture and remote system maintenance can be done by these converters. Finally, an imitated development platform of computer monitor system is constructed through all these software described above.