基于485总线的评分系统

程序设计目标：

通过本案例加深理解RS485通信方式，实现上位机的主控制器与所有的下位机进行通信。

程序运行效果说明：

通过RS232/RS485转换器将多个带有485模块的下位机控制程序的单片机挂载在总线上。用一块单片机做为上位机，下载上位机接点软件中的hex文件，另外的单片机作为下位机，下载下位机程序。下位机单片机上电后，数码管前两位显示从机编号，后三位显示评分结果。首先按下导航按键的中心按钮进入设置模式，被选中设定的数码管小数点被点亮；然后通过控制导航按键的左右方向实现数码管的位选，上下方向实现数码管上数值的加减，再按一次中心按钮退出设置模式。接着按下KEY2、KEY3按键标志从机编号和评分设定完成，第1位和第8位LED灯被点亮；最后通过控制上位机的主控制器的从机检测和多机评分按钮，获取单片机设定的从机编号和评分，从而实现上位机与下位机的通信。

程序相关电路及工作原理说明

本案例模拟Modbus协议，采用主、从技术，上位机的主控制器可以与所有的下位机通信，也可以单独与一个指定的下位机通信。模拟Modbus协议中，上下位机的数据包都只含5个字节，其基本格式为：数据包头（0x5A）+地址码（广播地址/从机地址）+功能码+携带数据（一个字节）+校验码字节，携带数据部分可以扩充多个字节，可以视情况进行修改。数据包具体定义如下：（协议中的检验字节，本打分系统采用累加和编码。）

（1）主机检测从机是否正常相关数据包：（主机与单个从机设备通信）：

（1）主机检测从机是否正常相关数据包：（主机与单个从机设备通信）

A、设备正常检测数据包：

方向：上位机----->下位机

数据包消息：数据包头+从机地址+检测功能码（Fun_CheckSlave）+自定义内容（Check_Content）+校验字节

功能：查询下位机是否正常。正常，下位机发送回应查询数据包；不正常，则下位机不予回应；数据传输过程发生错误，下位机发送回应错误数据包，上位机可以通过设置多次轮询来重新检测该设备是否正常；

B. 回应查询数据包：

方向：下位机—–>上位机

数据包消息：数据包头+从机地址+检测功能码（Fun_CheckSlave）+自定义内容（接收自主机Check_Content）+校验字节

C. 回应错误数据包：

方向：下位机—–>上位机

数据包消息：数据包头+从机地址+检测功能码（Fun_CheckSlave）+错误码（ErrorInfo）+校验字节

（2）主机获取从机评分相关数据包：（主机与单个从机设备通信）：

D. 获取多、单机评分数据包：

方向：上位机—–>下位机

数据包消息：数据包头+检测正常从机地址（0x00）+读下位机功能码（Fun_ReadInfo）+从机地址+校验字节

功能：对检测正常的设备，进行一次轮询，获取评分已经准备好的从机的分数。对于单机直接进行通信，没有轮询。

E. 结果返回数据包：

方向：下位机—–>上位机

数据包消息：数据包头+从机地址+读下位机功能码（Fun_ReadInfo）+从机返回的分数值+校验字节（分数值>100:表示上面提及的未准备好，回应错误数据包）

（3）此轮评分结束相关数据包：

F. 复位数据包：（主机与所有从机通信）

方向：上位机—–>下位机

数据包消息：数据包头+广播地址+复位功能码（Fun_Reset）+从机返回的分数值（0x00）+校验字节

功能：指示所有正常连接的从机进行复位操作，准备下一轮的评分。

实现过程：

• 通过杜邦线将51单片机与RS232/RS485转换器连接，再通过USB转RS232/RS485串口通讯线与PC机连接，下载hex文件，并给单片机上电；
• 如果直接用某一台单片机做主机，该单片机需要下载上位机程序中的接点软件而不是下位机软件；
• 下位机下载后的初始现象为：最左边两个数码管显示00表示从机编号，最右边3个数码管显示000表示评分；
• 按下导航按键中心按钮进入设置模式，将从机编号和评分设置完成后再按一次中心键退出设置模式，再按下KEY1,KEY2，标志设置完成；
• 通过控制上位机进行从机检测获取下位机编号，并获取其评分，数据显示上位机的主控制器上，最后结束评分，单片机LED灯熄灭。

思路具体如上图所示。

首先，我们可以通过串口助手来了解这个程序具体的作用，可以通过上面所说的A、D、F来大体了解一下我们需要做什么。A的作用是查询下位机是否正常。正常，下位机发送回应查询数据包；不正常，则下位机不予回应；数据传输过程发生错误，下位机发送回应错误数据包，上位机可以通过设置多次轮询来重新检测该设备是否正常。所以，只需要在串口助手上看到如下输出即是正确的：

D、F的情况类似，同样可以得到如下的输出：

通过串口助手明确双机通信的功能需求。

接下来来实现代码：

以下，为主代码（使用的是C++）

#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include "serial.h"
#include <setjmp.h>
using namespace std;
typedef unsigned char uchar;


/* 基于RS485总线的评分系统-主机程序-双机评分 */
string format(const vector<uchar> &data);			//数据处理为字符串
int check(serial &pipe, int addr);				//设备检测
int get_score(serial &pipe, int addr);			//获取分数
void reset(serial &pipe);					//从机复位

int main() {
    serial pipe("/dev/ttyUSB0", B9600);
    int addr, check_ret, score;
    while(1){
        cout<<"输入说明：\n输入合法从机地址查询分数\n输入-2将从机复位\n输入-1退出程序\n如果程序无法正确运行，不能接收从机回应，请重启重试\n请输入指令：";
        cin>>addr;
        if(addr == -1) break;
        if(addr == -2) {
            reset(pipe);
            continue;
        }
        check_ret = check(pipe, addr);
        if(check_ret == 1){
            cout<<"Equipment test normal"<<endl;
            sleep(1);
    	    if(!(score = get_score(pipe, addr)))
    	        cout<<"Failed to get score"<<endl;
    	    else 
    	        cout<<"score："<<score<<endl;
        }
        else if(check_ret == 0){
            cout<<"The address is incorrect. Please enter the address and try again"<<endl;
            continue;
        }
	else{
	    cout<<"Data transfer error, please restart slave machine"<<endl;
	}        

        //reset(pipe);
        cout<<"The slave machine is reset. Enter -1 to exit"<<endl;
    }
    return 0;
}
/***************************************************** 
将数据处理为字符串
******************************************************/
string format(const vector<uchar> &data) {
    std::string str(2 * data.size() + 1, '\x00');
    for (int i = 0; i < data.size(); i++) {
        sprintf(&str[i * 2], "%02X", data[i]);
    }
    return str;
}
/***************************************************** 
从机地址检测：
参数：serial串口，从机地址
主机发送进行数据检测：5a + 从机地址 + 检测功能码08 + 13 + 校验码 
返回值：1(地址正确)；0(地址错误)；-1(数据错误)
******************************************************/
int check(serial &pipe,int addr){
	int check_code = 117 + addr, ret;				//校验码为累加和
	vector<uchar> code = {0x5a, 0x08, 0x13};
	vector<uchar> rec;
	code.insert(code.begin()+1, (uchar)addr);			//插入从机地址
	code.push_back((uchar)check_code);				//插入校验码
	//cout << format(code) << endl;				
	
	/* 写入并接收回应数据包 */
	pipe.myWrite(code);
	sleep(1);
	rec = pipe.myRead(5);
	if(format(rec) == format(code))				//检验接收数据包是否与发送相同，相同则从机地址正确
	    ret = 1;
	else{
	    if(rec[3] == 0x6f) ret = 0;
	    else ret = -1;
	}
	return ret;
	    
}
/***************************************************** 
获取从机分数：
参数：serial串口，从机地址
主机发送进行分数获取：5a + 00 + 读取功能码03 + 从机地址 + 校验码 
返回值：分数(数据正确)；-1(从机未准备好)；-2(数据错误)
******************************************************/
int get_score(serial &pipe, int addr){
	int check_code = 93 + addr, ret;				//校验码为累加和
	vector<uchar> code = {0x5a, 0x00, 0x03};
	vector<uchar> rec;
	code.insert(code.begin()+3, (uchar)addr);			//插入从机地址
	code.push_back((uchar)check_code);				//插入校验码
	//cout << format(data) << endl;				
	
	/* 写入并接收回应数据包 */
	pipe.myWrite(code);
	sleep(1);
	rec = pipe.myRead(5);
	if(rec[3] == 0x6f) ret = -1;					//检验是否错误
	else {
	    ret = (int)rec[3];						//转为数字
	    if(ret < 0 || ret > 100) ret =-2;				//检测数字是否合法
	}
	return ret;
	    
}
/***************************************************** 
从机复位：
参数：serial串口，从机分数值
主机发送进行从机复位：5a + 广播地址00 + 复位功能码01 + 00 +校验字节
******************************************************/
void reset(serial &pipe){
	vector<uchar> code = {0x5a, 0x00, 0x01,0x00,0x5b};
	//cout <<"reset:"<< format(code) << endl;				
	/* 发送数据包 */
	for(int i=0;i<600;i++) {
	    pipe.myWrite(code);
	}
	return;	    
}

思路如下：

1. 首先，判断输入的下位机编号是否存在，地址存在返回1，地址错误返回0，数据错误返回-1.
2. 在判断下位机编号存在之后，接下来就需要获得下位机的分数（这里只实现了双机的程序）。将获得的分数输出即可。
3. 接下来就需要实现，退出和复位两个作用，退出输入-1，复位输入-2即可。

头文件的内容如下：

#ifndef SERIAL_H
#define SERIAL_H

#include <cstring>
#include <vector>
#include <sys/termios.h>


class serial {
private:
    int board = -1, epfd = -1;
public:
    serial(const char *board_path, speed_t baud_rate);
    ~serial();
    std::vector<unsigned char> myRead(size_t n) const;
    void myWrite(const std::vector<unsigned char> &data) const;
};

#endif //SERIAL_H

头文件中定义的函数如下：

#include "serial.h"

#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/fcntl.h>
#include <sys/termios.h>
#include <sys/unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>

#define err_check(code) if ((code) < 0) {
       \ printf("Error: %s\n", strerror(errno)); \ _exit(1); \ }



serial::serial(const char *board_path, speed_t baud_rate) {
    
    /** * O_RDWR 表示以读写模式 (myRead & myWrite) 打开文件 * 参考：https://man7.org/linux/man-pages/man3/open.3p.html */
    err_check(board = open(board_path, O_RDWR | O_NOCTTY ))

    termios attrs {
    };
    tcgetattr(board, &attrs);


    
    // 设置波特率
    err_check(cfsetispeed(&attrs, baud_rate))
    err_check(cfsetospeed(&attrs, baud_rate))
    attrs.c_iflag &= ~( BRKINT | ICRNL | INPCK | ISTRIP | IXON | IXOFF );


    attrs.c_oflag &= ~( OPOST | ONLCR | OCRNL );
    attrs.c_lflag &= ~( ECHO | ICANON | IEXTEN | ISIG );
    attrs.c_cflag &= ~( CSIZE | PARENB );
    attrs.c_cflag |= CS8;
    attrs.c_cc[VMIN]  = 1;
    attrs.c_cc[VTIME] = 0;

    // 设置终端参数，所有改动立即生效
    err_check(tcsetattr(board, TCSANOW, &attrs))

    // 重新打开设备文件以应用新的终端参数
    close(board);
    err_check(board = open(board_path, O_RDWR | O_NOCTTY))

    
    // 创建一个新的 epoll 实例，并返回一个用于控制的文件描述符
    err_check(epfd = epoll_create(1))

    epoll_event event {
    
        .events = EPOLLIN | EPOLLET,  // 当对端变为可读时触发事件
        .data = {
    
            .fd = board
        }
    };

    
    // 将这个事件添加到 epoll 的监听列表中
    err_check(epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, board, &event))
}

serial::~serial() {
    
    (~board) && close(board);
    (~epfd) && close(epfd);
}

std::vector<unsigned char> serial::myRead(size_t n) const {
    
    size_t count = 0;
    std::vector<unsigned char> buffer(n);

    while (count < n) 
    {
    
        epoll_event event {
    };
        // 等待串口对端发来数据
        epoll_wait(epfd, &event, 1, 5000);		// 指定超时值，避免无限期阻塞等待
        // 读取数据，然后根据读取到的数据数量决定是否需要继续读取
        count += ::read(board, &buffer[count], n); 
    }
    //tcflush(board,TCIOFLUSH);
    return buffer;
}

void serial::myWrite(const std::vector<unsigned char> &data) const {
    
    size_t count = 0;
    //tcflush(board,TCOFLUSH);
    while (count < data.size()) {
    
        // 向串口写入数据
        count += ::write(board, &data[count], data.size() - count);
    }
    
}

运行结果如下：

（这里仅仅只是修改了判断的数字罢了。)

至此实验，全部完成。

心得体会：

经过几次的实验，不仅磨练了我的意志，坚定了我的信念，相信在未来的实验中同样可以获得很多的收获。

在这里，在多机上跑的程序如下：

import binascii
import serial.tools.list_ports

# init
plist = list(serial.tools.list_ports.comports())  # 获取端口列表
ser = serial.Serial(list(plist[0])[0], 9600, timeout=0.05)  # 导入pyserial模块

def read_times():
    while 1:
        dic = []
        reading = ser.read(5)  # 读取串口数据
        if reading != b'':
            a = str(hex(int(binascii.hexlify(reading), 16)))
            b = a.replace("0x", "")
            for index in range(0, len(b), 2):
                dic.append(b[index] + b[index + 1])
        return dic

devices = list(map(int, input("请输入设备下位机，中间以' '隔开：").split())) # 存储设备列表
print(devices)

# part 1: 校验下位机设备
for device in devices:
    data = [0x5A, device, 0x08, 0x13]
    data.append(sum(data))
    print("{}\n从机设备编号: {:2d} 校验信息为: {}\n尝试校验中...".format('-'*50, device, data))
    flag = True
    for _ in range(100):
        ser.write(data)
        retdata = read_times()
        if retdata:
            print(retdata)
            retdata = [int(i,16) for i in retdata]
            if retdata == data:
                print("返回的校验信息为: {}，从机正常。".format(retdata))
            else:
                print("从机传输结果异常")
            flag = False
            break
    if flag:
        print("从机无返回")

print('-'*50)
print('从机分数读取：')
for device in devices:
    data = [0x5A, 0x00, 0x03, device]
    data.append(sum(data))
    print("{}\n从机设备编号: {:2d} 发送信息为: {}\n尝试获取分数中...".format('-'*50, device, data))
    flag = True
    for _ in range(100):
        ser.write(data)
        retdata = read_times()
        if retdata:
            print(retdata)
            retdata = [int(i,16) for i in retdata]
            print(retdata)
            if retdata[1] == device and retdata[4] == sum(retdata[:4]):
                print("该从机分数为: {}，从机正常。".format(retdata[3]))
            elif retdata[3] == 0x6F:
                print("从机分数大于100，错误")
            else:
                print("从机传输结果异常")
            flag = False
            break
    if flag:
        print("从机无返回")

print('-'*50)
print('从机复位操作：')
data = [0x5A, 0x00, 0x01, 0x00, 0x5B]
ser.write(data)
print("从机已复位，可以开始下一轮评分。")

运行程序之后输入你板子上你设置的编号，多机运行的话各个机子的编号用空格隔开,然后回车等着就行了。