第 l3卷 第 l期 ⋯ 一 器学 。 ⋯
基于令牌总线的测试系统集散式控制
任大海 杨学友
、，口十声华 u H5
天津太学精密测试技术皿仪器国家重 实验室 '天津 ∞∞
1p27 f ，
：摘要]本文针埘分布式测试系统的特 t结台汽车车身视觉检测站的具体要求t对其数据通信进奸了
研究．建立 了基于令牌环妁数据通信网络 ．实现 丁对测试设备的多测点、远距离在线监控；实验表明，设通
信阿络具 通用性好、可靠性高、扩展能力强等优 文中对该同络的拓扑结构、物理层接 口、信息n 格式
及软件设计进 nt论，对其数据链路控制方法进行 研究 ，并介绍了它在仪器管理方面的应用
关 些 竺 ． I)[)， —— ～———一 — ～ —-———～ 一I． I，～。
一
、
引 言 ＼
现代测试中．常需要对被测对象进行多点综合测试 ，为此，需要在各测试设备间建立相
应的联系，使检测人员既能对各测试设备的运行情况进行实时监控 ，又能对它们的数据和信
息进行集中统一处理 在这方面．建立一种较为通用的、适合在多台仪器设备间进行数据传
输的通信网络，无疑具有重要意义 下面我们结合汽车车身激光视觉检测站的测试系统．
介绍一种具有良好适应性 的数据通信方式．研究车身检测蛄中通信网络的组建及其多级控
制的实现方法，并介绍这种通信方式在仪器设备管理及远程监控方面的应尉。
二、通信网络的组建
1．车身检测站的控制要求
汽车车身视觉检测站是利用计算机视觉技术进行车身检测的大型在线测试系统 设系
统主要采用结构光传感器 ，结合视觉检测算法．求取车身关键点坐标及形状、位置参数
为了完成自动测量 ，必须把各传感器纳入主机控制，使其依照操作人员的命令进行工
作。同时，操作人员还应能控制运载小车及各机械执行机构的动作 ，以实现检测过程的自动
化。另外，为保证主机数据分析和处理等工作的进行 ，控制过程应尽量减小其影响 根据测
量要求．系统必须具有 50个节点以上的负载能力，并具备 良好的开放性 ， 便随时扩充新的
测试设备。
本文于 l 99'7年 8月收到。任太晦：博士l牛{杨学友 副教授；叶亩华：教授，博导。
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·46· 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 第 1 3卷
2．网络物理层设计
根据上述检测系统的要求 ，我们的设计以PC机作为主控机 。为适应多控制节点和长距
离通信的需要，我们采用 RS一485半双工串行通信协议作为本测试控制网络的通信标准 由
于采用平衡驱动、差分接收方式 ，有效地降低了共模干扰等影响．克服了 RS一232C由于附加
电乎、负载电容等影响对传输速率和距离的限制 ，从而大大提高了系统的传输距离和负载能
力： 。
为将 PC机输出转换为 RS一485信号 ，我们设计了 RS 485转换卡 ，它首先通过一并行接
口芯 片与单片机配合将 PC机并行输出的数据转换为串行输出，再通过 电路转换为 RS
485输出，其主要结构如图 1所示。这里，单片机与并行接 口的握手信号通过 I／O 口进行模
拟 。为便于调整，其译码采用 GAL实现 ，设计地址为 220～223H
3．网络拓扑结构及信道访问控制
(1)网络拓扑结构
在车身检测过程 中，操作
人员主要通过主控机完成数据
处理．并对检测过程进行监控 ，
因此 ，主控机在控制 系统 中应
具有最高优先级 。同时，测试过
程中．对机械执行机构等需进
行许多辅助操作 ，这些不 应过
多占用主机时间，现场实际操
作中，这一部分应能单独进行 。
IRQ2
内部
数据
总线
地 址
总线
地址允许信号
图 l RS 485接 口转换卡
数
据
通
信
总
线
从这一要求出发，我们设置一控制台，使操作人员可以通过控制台控制小车等机械执行部件
的动作。由以上分析，我们决定采用如图 2所示的树型网络拓扑结构 ，这里，主控机为 586微
机 ，各传感器和机械执行机构采用单片机进行控制和通信。如图 2系统中的传感器和机械执
行机构既可由主机统一指挥 ，也可分别通过主机和控制台进行控制。其中．当采用主控机控
制方式时，主机对小车等机械执行机构的控制命令由控制台转发。这样 ，既保证了多级控制
的灵活性和独立性 ，又便于新控制节点的加入 ，从而使其具有良好的扩展能力。
(2)信道访问控制及软件实现
在该半双工系统中，为防止通信中的数据丢失，我们首先约定，各节点在发送数据后必
须随时返回监听状态。为便于下位机节点问的通信 ，同时避免互不相容的介质访问引起的数
据冲突，在信道访问控制上 ，我们决定采用令牌 总线方式进行，即对以 PC机为主节点的 一
级总线和以控制台为主节点的二级总线分别构建逻辑环；采用单令牌方式 ．规定只有持有令
牌的节点才能进行数据的发送 。对计算机局域阿而言．IEEE802 4提供了有关令牌总线网
的规范，但由于在测试系统中，各节点的测试设备较为多样，且编程能力往往不强，故有必要
具体研究更能适应这一需要的信道访问控制方式。
本系统中，MAC子层的信息帧类型包括数据帧、应答帧及令牌帧，图 3为其中的数据
帧格式 。
在测试系统中，系统主机占用总线的频率要高于其它节点上的测试设备，而在令牌总线
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第 l期 基于令牌总线的测试系统集散式控制 ·47·
图 2 车身检测站控制 网络
一 数据帧 —————————————— ；-{
帧起始 标识域 控制域 数据域 校验域 帧结束
圈 3 数据帧 格式
方式中，主机与其它节点具有同等的发送机会，这必须影响系统的工作效率。为此 ，在槁建逻
辑环时，我们将主机节点插入到每两个测试节点之间， 充分保证主机进行实时控制的需
要。出于相同的考虑 ，在以控制台为主控节点的二级网络通信中也作了同样处理。采用这 一
方法后，不仅使主机和控制台的命令可以及时传达到各测试节点，同时，由于各测试节点在
令牌总线环中的前驱和后继均为主机．也大大方便了逻辑环路的维护和重建。系统初始化过
程中，主机对各测试节点建立索引，并构建令牌总线网；在系统运行过程中，主机对令牌传输
情况进行实时监控，具体方法为利用系统时钟中断监视令牌的传递，若在主机转出令牌后的
指定时间内不能回收，则进行错误报警并发出重建命令重建系统环路；此外．主机还定时对
阿上节点进行查询．并随时对索引进行更新。可见，采用以上方法后 ，对令牌恢复、节点插入
和删除等操作均可方便地实现，从而既有效防止了数据冲突，又避免了通用令牌环管理中的
复杂过程。在逻辑环中．虽然节点数增加了一倍 ，但从整个测试系统的性能考虑．仍是非常可
行 的 。
为了保证应用系统中主处理机进行数据处理等工作的时间，通信过程应尽量减小其影
响 ．故在软件设计时 ，主要过程均采用中断方式驱动。图 4所示为本系统主机内各进程间的
关系。
为提高系统适应性 ，下位机的波特率设置采用自扫描方式，方法为在主机完成波特率初
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第 1期 基于令牌总线的测试系统集散式控制 ·49·
T 一 ·丁， ‘一 ￡ f 2)
其中． ：二级令牌 线环的平均 回归时间；
t ：控制 台的传输延迟．
可见，当采用主控机方式时，由于分级控制．
二级节点的响应时间受到很大影响。为此，我们采
取在一级令牌环中增加对控制台访问次数的方法
加以解决 由(1)，我们可作如下近似 ：T con(N为
令牌 总线中的节点个数)。在此．设一级总线中对
控制台的访问次数为 k，易知 ，应有：kocn2(n2为
控制台管理的下位机节点数)。可见一这一方法
也同时增大了一级 总线的平均回归时间．故应
尽量减少二级节点的数量．以提高网络的整体
效率 。
本测试网络令牌环的结构如图 5所示
4．测试仪器的远程控制
目前，许多测试 仪器都配有 RS 232C接
口．并具有一定的编程功能。但是．它们都不具
备多机通信能力．同时 ，由于 RS 232C的限制．
无法进行远距离控制和数据运输 采喟前面所
述的通信协议和软件，我们可以方便地解决这
一 问题 。
为此．我们设计 了一种 RS 485接 口一它可
以通过普通的转接头直接插到仪器的 RS 232C
串El上．使其等效于 Rs一485串 口 与现有的
其它方法相比．这一方法具有接 口方式简单、通
用性强、体积小、成本低等优点 图中．接口控制
逻辑用于协调接收和发送状态．它使原串口增
加了多机通信功能并具有通过软件隔离防止碰
撞的能力
配备转接 口后．上述仪器设备即可加入测
试通信网络 ，并利用其 自身的软件编程能力实
现与主机和其它网络节点的数据传输 由于测
试仪器的串口编程能力十分有限，因此我们在
接 口中加入一单片机．用 实现网络多机通 信
否
图 5 系统令牌环结构示意图
开 始
二工二
初始化
正确接收 卜
取出主机命令码
调用模拟 串u发
送模块，将命々
转发到仪器接 口
主机技应菩命
／嗄否“烈霸＼
调用模拟串口接收
模块，接收仪器数
据并存入缓冲区
持有令牌?
" -
-v(-
发
＼ ／
— — ．1是
向主机发送
置接 口为接收态
传递令牌
图 6 仪器用 RS 485接 口单片饥工作流理
功能。由于单片机仅有一个 串E1．故在与测试仪器通信时．我们采用软件方法进行模拟 。由
于每种仪器都有各自不同的命令编码．故单片机应能将其与本网络约定的协议进行转换。单
片机工作流程如图 6所示。
由于这种接口方式对设备的串口无特殊要求 ，因而具有较强的适应能力，任何配有 Rs
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232C接VI的仪器设备都可以通过这种接 L]加入 Rs 485网络．以满足长距离多机通信的需
要
三、结 语
测试技术的发展对仪器设备间的数据交换和集中控制提出了更高的要求 ，本文从车身
检测站的要求出发 ，旨在建立一种简便灵活、具有较强适应性的数据通信方式及相应的通信
协议．从而为我们今后进行检测过程和仪器的自动控制等相关工作创造条件。实践证明，本
通信网络及其协议具有灵活、可靠、适应性好、扩展能力强等优点，尤其适用于对智能化测试
单元的控制 同时，这也为仪器设备的网络化和集中统一管理提供了一种有效的方法
参 考 文 献
[1-GERALD·COLE，王福兰泽，计算机网络，学蔸出版社，1994
[23~f定海，三维视觉检测原理及其 ADC应用 ，博士论文 ，天津大学 ，1992
[3]Engineering Department Electronic Industries Association，EIA STANDARD RS一485，APRIL，
1 983．
The Total Distributed Control for Measuring and Testing System Based on Token Bus
Ran Dahai Yang Xueyou Ye Shenghua
(State Key Laboratory of Precision M easuring Technology Instruments，
Tinnjin University．300072)
Abstract：In view of the characteristics of distributed measuring system ，its data corn
munication is studied in this paper combining with the requirements of autocar—body visual
inspection station，A data communication network hased on token—ring is estahhshed and
the multi—point long—distance on—line monitoring of measuring instruments is achieved．It is
indicated through experiments that the system possesses tbe advantage of good flexibJlit3 ．
high reliability and strong expandability The network topology．physical interface，data
framing and software design of the communication network are discussed in the paper．
Meanwhile ，the data link control procedure is studied and the application of the network in
instruments’management is presented．
Key words：M easuring and testing system ；Data communicationiToken BusiAutocar—
body inspection
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