摘要：本文分析了Windows環(huán)境下串行通信的編程技術(shù)，介紹了在Windows環(huán)境下用VB6.0語言編寫串行通信程序，實現(xiàn)了PC機與三菱 Q00PLC 之間的串行通信，并提出了在實際應(yīng)用中提高串行通信性能的方法。 關(guān)鍵詞：VB；Win32API函數(shù)；串行通信；Q00PLC 一 概述 在工業(yè)控制中,串口是常用的計算機與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。由于串行通信結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強、實現(xiàn)及使用成本低、通訊標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，因此在測控系統(tǒng)和工程中應(yīng)用十分廣泛。目前Windows在工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)中已成為主流平臺 ，Windows環(huán)境下的上、下位機之間的串行通信是設(shè)計與開發(fā)監(jiān)控管理系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)的重要組成部分。 Microsoft公司的VB++6.0是一種高級編程語言，它提供的串列通信控件封裝了封裝了Win32API中的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)，可以讓開發(fā)者方便開發(fā)串列通信上位機程序。 PLC是現(xiàn)在控制領(lǐng)域不可缺少的部分，已經(jīng)非常普及，如何簡便的與PLC交互已經(jīng)成為眾多廠商新的競爭戰(zhàn)場。由此產(chǎn)生了人機界面、組態(tài)軟件等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的產(chǎn)生大大簡化了對PLC的控制，操作，使用更方便。但也有共同的缺點：價格過高和開放性較差。VB作為“原始＂的編程語言在這兩方面無疑有著明顯的優(yōu)勢。 二 串行通信 串行通信是指計算機主機與外設(shè)之間以及主機系統(tǒng)與主機系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用串口通信時，發(fā)送和接收到的每一個字符實際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。 2.1 串行通信的分類 串行通信可以分為同步通信和異步通信兩類。同步通信是按照軟件識別同步字符來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，異步通信是一種利用字符的再同步技術(shù)的通信方式。 2.1.1 同步通信 同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個數(shù)據(jù)字符。 它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗字符（CRC）組成。其中同步字符位于幀開頭，用于確認數(shù)據(jù)字符的開始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個數(shù)沒有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長度來決定；校驗字符有1到2個，用于接收端對接收到的字符序列進行正確性的校驗。同步通信的缺點是要求發(fā)送時鐘和接收時鐘保持嚴(yán)格的同步。 2.1.2 異步通信 異步通信中，在異步通行中有兩個比較重要的指標(biāo)：字符幀格式和波特率。數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送。字符幀由發(fā)送端逐幀發(fā)送，通過傳輸線被接收設(shè)備逐幀接收。發(fā)送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，互不同步。 接收端檢測到傳輸線上發(fā)送過來的低電平邏輯"0"（即字符幀起始位）時，確定發(fā)送端已開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)接收端收到字符幀中的停止位時，就知道一幀字符已經(jīng)發(fā)送完畢。 2.2 幾種流行的串行通信協(xié)議 RS－232、RS-422和RS－485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，后來陸續(xù)有不少改進版本，其中最常用的是RS-232-C版。 目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，RS－232的傳送距離要求可達50英尺（約15米），最高速率為20kbps。 [align=center] 圖1 RS232端口的硬件握手和連接方式[/align] RS232的通訊信號電平為正負5～15V，這不同于數(shù)字電路的0～3V或0～5V，所以要以RS232的方式進行通訊，源信號不匹配時需要進行電壓轉(zhuǎn)換。 當(dāng)進行數(shù)據(jù)傳送時，只用一根數(shù)據(jù)線且只能進行單向傳輸?shù)姆绞?，稱為單工方式； 當(dāng)進行數(shù)據(jù)傳送時，只用一根數(shù)據(jù)線利用不同時段進行雙向傳輸?shù)姆绞?，稱為半雙工方式；當(dāng)進行數(shù)據(jù)傳送時，利用兩根數(shù)據(jù)線同時進行發(fā)送和接收的方式，稱為全雙工方式。 由于RS-232存在傳輸距離有限等不足，于是RS-422誕生了。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（約1219米），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。當(dāng)然，RS－422也有缺陷: 因為其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，所以在100kbps速率以內(nèi)，傳輸距離才可能達到最大值，也就是說，只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率。一般在100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。另外有一點必須指出，在RS-422通信中，只有一個主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Salve），從設(shè)備之間不能進行通信，所以RS-422支持的是點對多點的雙向通信。 為擴展應(yīng)用范圍，RS于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/RS-485-A標(biāo)準(zhǔn)。 由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿，如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻、最大傳輸距離約為1219米、最大傳輸速率為10Mbps等。但是，RS-485可以采用二線與四線方式，采用二線制時可實現(xiàn)真正的多點雙向通信，而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現(xiàn)點對多點通信，但它比RS-422有改進， 無論四線還是二線連接方式總線上可接多達32個設(shè)備。 三菱的 Q00PLC 的通訊接口為RS232。 三 三菱 Q00PLC 的通訊方式 3.1 通訊協(xié)議 三菱的 Q00PLC 采用列 MELSEC 通訊協(xié)議，即 MC 協(xié)議。MC協(xié)議采用幀的形式進行通訊，它包括以下幾種形式： （1）、QnA 兼容3C 幀。此種幀包括1-4種格式。 （2）、QnA 兼容4C 幀。此種幀包括1-5種格式。 （3）、QnA 兼容2C 幀。此種幀包括1-4種格式。 （4）、QnA 兼容3E 幀。此種幀包括1-4種格式。 （5）、A 兼容1E 幀。 3.2 實現(xiàn)方式 （1） 命令文件的發(fā)送 采用MC 協(xié)議進行的數(shù)據(jù)通訊采用半雙工通訊方式進行。訪問PLC CPU 時對于剛剛進行的命令文件發(fā)送請在接收PLC CPU 側(cè)發(fā)送的響應(yīng)文件后發(fā)送下一個命令文件（在響應(yīng)文件的接受尚未完成之前不能進行下一個命令文件的發(fā)送） [align=center] 圖2 命令文件和響應(yīng)的順序[/align] （2） 對于命令文件不能接收正常結(jié)束的響應(yīng)文件時 接受異常結(jié)束的響應(yīng)文件時，可根據(jù)響應(yīng)文件中的出錯代碼進行處理 3.3 Q00PLC 的幀格式 Q00PLC內(nèi)置了MC通訊協(xié)議的QnA 兼容3C 幀和 RS232 通訊接口，所以不用外加通訊模塊就可以實現(xiàn)與上位機的通訊。本例擬采用QnA 兼容3C 幀的第4種格式進行通訊。 3.3.1 對方設(shè)備讀出上位站PLC CPU 的數(shù)據(jù)時 a 上位機向 PLC CPU 側(cè)傳輸命令傳輸文件，下圖中箭頭所指的區(qū)域為請求數(shù)據(jù)區(qū)。 [align=center] 圖3 讀取時的發(fā)送幀格式[/align] b PLC CPU 側(cè)響應(yīng)上位機的應(yīng)答傳輸文件，下圖中箭頭所指的區(qū)域為從PLC中讀出并返回的數(shù)據(jù) [align=center] 圖4 返回的幀格式[/align] 3.3.2 對方設(shè)備向上位站PLC CPU 寫入數(shù)據(jù)時 a 幀格式與圖3中的格式類似，只是幀中的命令和子命令為讀取時的命令，請求數(shù)據(jù)區(qū)中增加了寫入的數(shù)據(jù)。 b 幀格式與圖34中的格式類似，只是沒有返回的數(shù)據(jù)。 四 Windows環(huán)境下 VB 與 Q00PLC 通信的實現(xiàn) 4.1 系統(tǒng)分析與說明 Windows系統(tǒng)為每個通信設(shè)備開辟了用戶定義的輸入/輸出緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)進出通信口均由系統(tǒng)后臺來完成，應(yīng)用程序只需完成對輸入/輸出緩沖區(qū)操作就可以了。實際過程是每接收一個字符就產(chǎn)生一個低級硬件中斷，Windows系統(tǒng)中的串行驅(qū)動程序就取得了控制權(quán)，并將接收到的字符放入緩沖區(qū)，然后將控制權(quán)返還給正在運行的應(yīng)用程序。如果輸入緩沖區(qū)數(shù)據(jù)已滿，串行驅(qū)動程序用當(dāng)前定義的流控制機制通知發(fā)送方停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而隊列中的數(shù)據(jù)按先進先出 （FIFO）的次序處理。 　　在Windows中，串行通信有兩種工作方式：查詢方式和事件驅(qū)動方式。查詢方式占用大量的CPU時間，效率較低，但是數(shù)據(jù)不易丟失；而Win32操作系統(tǒng)基于事件驅(qū)動 （也稱為消息驅(qū)動）機制的內(nèi)核，支持基于進程的協(xié)同式多任務(wù)和基于多線程的搶先式多任務(wù)?；谑录?qū)動的多線程應(yīng)用程序?qū)嶋H上在其內(nèi)部實現(xiàn)了多任務(wù)擴展，為代碼賦予了并行執(zhí)行的特性，可以使應(yīng)用程序?qū)PU的利用率大大提高，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力，加快信息處理速度，提高通信程序的實時性和增大數(shù)據(jù)吞吐量。 　　基于以上分析，以事件驅(qū)動方式實現(xiàn)Windows下的串行通信更具優(yōu)勢，它能完成較大數(shù)據(jù)量的實時通信，大大提高了通信的效率，故本程序采用此種方式進行串行通信，至于通信的可靠性可以通過軟件設(shè)計來保證。 Windows平臺下利用VB實現(xiàn)串口通信主要有以下兩種方法： 1）使用Windows API（Application Program Interface）函數(shù)。這種方法可編寫移植性強的通信程序，但必須首先用Declare聲明VB中所要用的動態(tài)鏈接庫DLL，這需要對Windows API函數(shù)有深入的了解，編程較復(fù)雜。 2）使用Microsoft公司提供的Active X控件MSComm。該通信控件通過改變對象屬性，向?qū)ο蟀l(fā)送消息及為對象事件編寫響應(yīng)代碼，可以方便地完成用戶應(yīng)用程序間的串行通信，既可實現(xiàn)API函數(shù)的所有功能，又使得編程效率提高，應(yīng)用功能增強，并且程序簡單明了。 對于MSComm控件實現(xiàn)串口通信的操作很多文獻都有論述，該控件的主要屬性可參考相關(guān)文獻，在此僅列出常用的屬性和方法。需要強調(diào)的是：在數(shù)據(jù)發(fā)送與接收過程中，都要通過一個Variant類型變量作為中介。發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)賦給一個Variant類型變量，再把該Variant變量賦值給MSComm的Output屬性；同樣接受數(shù)據(jù)時，也應(yīng)先將MSComm的Input屬性賦值給Variant變量，待接收端收到后必須轉(zhuǎn)換成其它類型（如字符型、二進制型）的數(shù)據(jù)才能進行處理。本例采用MSComm控件來實現(xiàn)。 下面介紹MSCOMM控件的屬性: CommPort:設(shè)定通信連接端口代號，程序必須指定所要使用的串行端口號，Windows系統(tǒng)使用所設(shè)定的端口與外界通信。 PortOpen:設(shè)定通信口狀態(tài)，若為真，通信端口打開，否則關(guān)閉。 Settings:設(shè)定通信口參數(shù)，其格式是"bbbb,p,d,s"，其中bbbb為通信速率（波特率），p為通信檢查方式（奇偶校驗），d為數(shù)據(jù)位數(shù)，s為停止位數(shù)，其設(shè)定應(yīng)與PLC的設(shè)定一致。 Input:將對方傳送至輸入緩沖區(qū)的字符讀入到程序。 Output:將字符寫入輸出緩沖區(qū)。 InBufferCount:傳回接收緩沖區(qū)中的字符數(shù)。 OutBufferCount:傳回輸出緩沖區(qū)中的字符數(shù)。 InputLen:設(shè)定串行端口讀入字符串的長度。 InputMode:設(shè)定接收數(shù)據(jù)的方式。 Rthreshold:設(shè)定引發(fā)接收事件的字符數(shù)。 CommEvent:傳回OnComm事件發(fā)生時的數(shù)值碼 OnComm事件:無論是錯誤或事件發(fā)生，都會觸發(fā)此事件。 4.2 具體實現(xiàn) 本例程序為讀取Q00PLC的輸入輸出點的狀態(tài)。監(jiān)控界面如下所示： [align=center] 圖5 監(jiān)控界面[/align] 4.2.1 控件參數(shù)的初始化 MSComm1.InBufferCount = 0 ‘清空輸入緩沖區(qū) MSComm1.OutBufferCount = 0 ‘清空輸出緩沖區(qū) MSComm1.CommPort = 1 ‘設(shè)定串行通信口為com1 MSComm1.Settings = "19200,O,8,1" ‘波特率19200，奇校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位 MSComm1.InputLen = 0 ‘一次讀入輸入緩沖區(qū)中的字符串的長度為緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù) MSComm1.RThreshold = 62 ‘輸入緩沖區(qū)中每次接到62個字符就產(chǎn)生一次OnComm事件 MSComm1.PortOpen = True ‘打開端口 Dim STX As String ‘以下為MC協(xié)議中的ASCII碼 Dim ENQ As String Dim ACK As String Dim CR As String Dim LF As String Dim NAK As String STX = Chr$（&H2） ENQ = Chr$（&H5） ACK = Chr$（&H6） CR = Chr$（&HD） LF = Chr$（&HA） 4.2.2 計算機與PLC通信程序 Private Sub Timer1_Timer（） Dim SD As String MSComm1.InBufferCount = 0 MSComm1.OutBufferCount = 0 If F = 1 Then SD = ENQ + "F9" + "0000FF00" + "0401" + "0001" + "X＊" + "000020" + "0030" + CR + LF Else SD = ENQ + "F9" + "0000FF00" + "0401" + "0001" + "Y＊" + "000050" + "0030" + CR + LF End If MSComm1.Output = SD Timer1.Enabled = False End Sub ‘OnComm事件 Private Sub MSComm1_OnComm（） Dim i, j As Integer Dim RD, Temp, RDw As String If MSComm1.CommEvent = comEvReceive Then RD = MSComm1.Input If Left（RD, 1） = STX Then RDw = Mid（RD, 12, 48） j = 0 Select Case F Case 1 j = 48 Case -1 j = 96 End Select For i = 1 To 48 Temp = Mid（RDw, i, 1） If F = 1 Then If Temp = "1" Then Lalel（i - 1）.BackColor = &H80FF80 Else If i <= 3 Then Lalel（i - 1）.BackColor = &HFF Else Lalel（i - 1）.BackColor = &HFFFF00 End If End If Else If Temp = "1" Then If i = 42 Then Lalel（i - 1 + 48）.BackColor = &HFF Else Lalel（i - 1 + 48）.BackColor = &H80FF80 End If Else Lalel（i - 1 + 48）.BackColor = &HFFFF00 End If End If Next i F = F ＊ （-1） Timer1.Enabled = True ‘F = F ＊ （-1） End If End If End Sub 五 結(jié)束語 VB是一種成熟的、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，采用它編寫的Windows環(huán)境下PC機與Q00PLC的串行通訊軟件具有程序?qū)崿F(xiàn)簡便、通用性強的特點，減輕了軟件開發(fā)者的工作量，對于國內(nèi)的中、小型企業(yè)具有現(xiàn)實意義。 參考文獻 [1] 王棟，Visual Basic6.0程序設(shè)計實用教程[M]，清華大學(xué)出版社，2003 [2] 工業(yè)接口與通訊，呂志藝，2003 [3] Q 系列 MELSEC 通訊協(xié)議參考手冊 [4] 三菱 Q 系列可編程控制器編程手冊; 作者簡介： 馬磊：1981年10月12日出生；性別：女；籍貫：山東省魏橋鎮(zhèn)南鄭村；在讀研究生；研究方向：造紙裝備與控制。 呂多勇：1982年6月出生；男；籍貫:山東省濟南市歷城區(qū)；本科，學(xué)士學(xué)位； 聯(lián)系方式：通訊地址：山東省濟南市 大學(xué)科技園 山東輕工業(yè)學(xué)院 輕化與環(huán)境工程學(xué)院，06級研究生，馬磊。 郵編：250353 郵箱：aima2005@126.com