CN108287805A - 一种通用型下位单片机与上位机的通信方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及种通用型下位单片机与上位机的通信方法，以及在催化反应质谱评价装置上的应用，为一种控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法。本发明提供了一种应用于上位机与下位单片机之间的通信协议，用于实现实时监控操作、数据传输采集等。所述的通信协议是建立在物理层之上的通信数据包格式，属于非直接单片机指令控制的通信协议，主要优势是依靠一份完整的单片机内存信息控制表以及串口指令格式表，可以控制不同类型的仪器。可实现催化反应质谱评价装置的智能化操作和控制，基本完成实时数据采集、处理和仪器控制等功能，减少各种设备之间的通信接口的转换，有利于各种设备的智能一体化管理与控制，使实验操作更加简单便捷。

Description

一种通用型下位单片机与上位机的通信方法与应用

技术领域

本发明涉及单片机控制通信技术领域，更具体地说，涉及一种通用型下位单片机与上位机的通信方法，以及在催化反应质谱评价装置上的应用，为一种控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法。

背景技术

绝大多数工业化学反应是在催化剂作用下进行的，这涉及到石油炼制、有机合成、聚合物生产、无机化工、制药、三废治理等广泛领域。一个高活性、高选择性、便于操作、使用周期长的催化剂，在降低原材料和能源消耗、提高设备生产力、改进产品质量、减少三废、防止环境污染等方面都起着重要的作用，所带来的经济效益和社会效益是巨大的。

催化剂的开发定型经历了漫长的研发过程，传统的技术手段远远跟不上新工艺、新催化材料需求的步伐，而应用先进的组合化学方法则可以大大加快开发和优化选择的速度，运用组合化学方法和各类仪器联用来确定特定催化反应中的最优催化剂，已经成为催化剂研究领域最活跃的前沿技术之一。目前，如何选择良好的催化剂备受各相关科研、生产单位所关注。

催化反应评价装置就是用来进行化学反应条件探索、催化剂评定及筛选等工作。而组合化学技术离不开先进的催化剂评价装置，有时对于催化剂性能的评价需要有一个定量的标准，通常把催化反应装置与质谱进行联用，对其反应产物进行研究。

质谱通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物种类的一种专门技术。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法，将催化反应装置与质谱分析法相结合对催化剂性能的研究具有重大的意义。但是，在众多的质谱分析方法中，大多数的催化反应装置都是与气相色谱-质谱联用仪(LC-MS)或者液相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行联用。现在市面上还没有把催化反应装置与飞行时间质谱(TOF-MS)进行联用的仪器，因此也缺少相应的上位机控制软件，但是由于飞行时间质谱具有灵敏度高、样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，用其作为催化反应产物的检测具有一定的优势和市场需求。

现如今大部分的仪器设备都要求能通过上位机软件来操作，这样不仅方便调试、利于操作，而且能够对仪器进行实时监控及数据采集等工作，其中最重要的一点就是涉及到通信问题。单片机串口通信被广泛的运用在上位机软件与下位机单片机的通信中，主要是由于串口通信程序编写及硬件接口简单，同时电脑可以显示相关的调试信息，即不需要借助其他外部硬件条件，可以很方便地进行程序调试。串口通信，如RS-232、RS-422、RS-485，作为一种稳定性高、构建方便的数字通信方式在工控系统中应用最为广泛，各个部件通过检测与识别各种不同通信协议的数据帧来完成特定的功能或对其它部件进行状态监测。

由于历史的原因，我国的科学仪器产业发展相对落后，目前国内各个科研单位所使用的质谱仪器几乎都是从国外进口。安捷伦、日本岛津等公司的仪器除了相对成熟，同时其软件的针对性强、组件化及自动化程度高。近年来，国产仪器迅速崛起，也涌现出一批杰出的企业，例如东西分析、普析、天瑞仪器、舜宇恒平、天美等，国内的大型质谱仪已经成功进入产品化阶段。但是科研仪器配套软件的研发能力仍然相对薄弱，难与国际接轨，无法与国际产品形成竞争力。

因此，对于催化反应质谱评价装置的改进及提高其自动化控制程度就显得格外重要，特别是催化反应质谱评价装置的通用型单片机串口通信协议的研发，对于上位机软件的开发具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种属于非直接单片机指令控制、适用于控制不同类型仪器的通用型下位单片机与上位机的通信方法，以及在催化反应质谱评价装置上的应用，为一种控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法。

本发明的技术方案如下：

一种通用型下位单片机与上位机的通信方法，下位单片机接收上位机的指令，基于指令改写内存数值，并根据内存数值的改动执行相应的任务。

作为优选，用于改写内存数值的指令包含的数据与格式分别遵从内存信息控制表、指令格式表。

作为优选，如果一个上位机控制同一设备的多个下位单片机或不同设备的下位单片机，则对应于每个下位单片机，设置有内存信息控制表或指令格式表。

作为优选，当一个上位机与同一设备的多个下位单片机通信时，采用多机通信协议，多个下位单片机共同一个端口。

作为优选，基于下位单片机与上位机之间的通信协议进行指令发收、数据传输采集，所述的通信协议的报文中包括命令、操作内存地址、改写内存数值的字节数、数据内容。

作为优选，命令中加载的信息包括固定标识、操作类型、指令校验结果、下位单片机序号；其中，操作类型包括读取、写入；指令校验结果用于返回上位机当前指令的校验结果为正确或错误，如果指令校验错误，则将原命令的指令校验结果标识为代表错误的字符，作为回复数据返回至上位机。

作为优选，当命令加载读取操作，如果指令校验正确，则向上位机返回回复数据，回复数据格式为：命令包含的固定标识、上位机请求读取的数据；当命令加载写入操作，如果指令校验正确，则写入数据，并将原命令作为回复数据返回至上位机。

作为优选，如果下位单片机向上位机返回回复数据时，上个指令未发送完毕，则自动丢弃当前回复数据；如果下位单片机发生多个回复数据冲突，如果返回的回复数据不完整，则丢弃当前回复数据。

作为优选，所述的通信协议的报文中，在数据内容后还包括在前的所有字节的循环冗余校验码。

一种催化反应质谱评价装置控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法，基于所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，催化反应质谱评价装置控制软件作为上位机软件，控制催化反应质谱评价装置主控板单片机，完成对催化反应质谱评价装置的分子泵、真空规、流量计、电源、调谐阀、透镜、灯丝的开闭切换以及气体流量的读取、设定和校准。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，提供了一种通用型的单片机通信协议，应用于上位机与下位单片机之间的通信，用于实现实时监控操作、数据传输采集等。所述的通信协议是建立在物理层之上的通信数据包格式，在这个层面上，底层软件提供两个基本的操作函数：发送一个字节数据和接收一个字节数据，即所有的数据协议全部建立在这两个操作方法之上。此模式属于非直接单片机指令控制的通信协议，主要优势是依靠一份完整的单片机内存信息控制表以及串口指令格式表，可以控制不同类型的仪器。

所述的通信方法实施于催化反应质谱评价装置，得到一种控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法，可成功控制催化反应质谱评价装置的分子泵、真空规、流量计、电源、调谐阀、透镜、灯丝的开闭切换以及气体流量的读取、设定和校准，实现催化反应质谱评价装置的智能化操作和控制，基本完成了对催化反应质谱评价装置实时数据采集、处理和仪器控制等功能，减少各种设备之间的通信接口的转换，有利于各种设备的智能一体化管理与控制，使实验操作更加简单便捷。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术缺乏通用型的下位单片机与上位机之间的通信与控制技术，提供一种通用型下位单片机与上位机的通信方法，以及一种控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法，基于通用型的单片机通信协议，应用于上位机与下位单片机之间的通信，用于实现实时监控操作、数据传输采集等，属于非直接单片机指令控制的通信协议，主要优势是依靠一份完整的单片机内存信息控制表以及串口指令格式表，可以控制不同类型的仪器。

所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法中，下位单片机接收上位机的指令，基于指令改写内存数值，并根据内存数值的改动执行相应的任务。由于所述的通信方法不直接通过指令控制单片机，而是通过内存数值的改动执行相应的任务，则为了统一标准，用于改写内存数值的指令包含的数据与格式分别遵从内存信息控制表、指令格式表。

通常情况下，下位单片机不只一个，包括同设备的多个，或不同设备的多个，而只通过一个上位机进行协同控制。针对这一情况，本发明中，如果一个上位机控制同一设备的多个下位单片机或不同设备的下位单片机，则对应于每个下位单片机，设置有内存信息控制表或指令格式表，以实现统一的标准，供上位机进行统一控制。

当一个上位机与同一设备的多个下位单片机通信时，采用多机通信协议，多个下位单片机共同一个端口。本实施例中，同一设备包括多个下位单片机进行基本控制，采用多机通信协议，共用一个串口，串口通信波比特率为2400～115200bps。多个下位单片机均采用计算机串口操作下位单片机的内存，下位单片机依据内存数值的改动执行相应的任务，而后进行数据返回或等待下一指令。

本发明提供一种通用型的下位单片机通信协议，基于下位单片机与上位机之间的通信协议进行指令发收、数据传输采集，所述的通信协议的报文中包括命令、操作内存地址、改写内存数值的字节数、数据内容。具体实施时，可将命令、操作内存地址、改写内存数值的字节数、数据内容依次排列。

命令中加载的信息包括固定标识、操作类型、指令校验结果、下位单片机序号；其中，操作类型包括读取、写入；指令校验结果用于返回上位机当前指令的校验结果为正确或错误，如果指令校验错误，则将原命令的指令校验结果标识为代表错误的字符，作为回复数据返回至上位机。

当命令加载读取操作，如果指令校验正确，则向上位机返回回复数据，回复数据格式为：命令包含的固定标识、上位机请求读取的数据；当命令加载写入操作，如果指令校验正确，则写入数据，并将原命令作为回复数据返回至上位机。

所述的通信协议的报文中，在数据内容后还包括在前的所有字节的循环冗余校验码。

本实施例中，上位机操作(写入或读取)下位单片机内存的控制指令的通信协议为不定长动态指令，每指令由至少5字节组成：首字节为命令；第二字节为操作内存地址；第三字节为改写内存数值的字节数，不包含最后的2字节检验码；其后是高位在前，低位在后的数据内容；最后是2字节的循环冗余校验(CRC16校验)码，高位在前，低位在后。

具体格式如下：

根据指令格式，本实施例中，通信实例如表1所示：

表1：通信指令实例表

下位单片机收到上位机的写操作指令，若指令校验正确，则发送第一字节的命令给上位机作为回复数据。若指令校验错误，则将收到的第一字节的命令的B3位置1，发送给上位机作为回复数据。

下位单片机收到上位机的读操作指令，若指令校验正确，返回至上位机的回复数据为：前3个字节和收到的前3个字节一样，从第4个字节开始，填充上位机请求读取的数据，最后是前面所有数据字节的CRC16校验码。若指令校验错误，则将收到的第一字节的命令的B3位置1，发送给上位机作为回复数据。

为了保证数据无冲突，防止数据损坏，具体实施时，下位单片机通信响应时间可设置为小于1字节发送时间，如果下位单片机向上位机返回回复数据时，上个指令未发送完毕，则自动丢弃当前回复数据；如果下位单片机发生多个回复数据冲突，如果返回的回复数据不完整，则丢弃当前回复数据。

将所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法应用于催化反应质谱评价装置，本发明还提供一种催化反应质谱评价装置控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法，基于所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，催化反应质谱评价装置控制软件作为上位机软件，控制催化反应质谱评价装置主控板单片机，完成对催化反应质谱评价装置的分子泵、真空规、流量计、电源、调谐阀、透镜、灯丝的开闭切换以及气体流量的读取、设定和校准。基本完成了对催化反应质谱评价装置实时数据采集、处理和仪器控制等功能，减少各种设备之间的通信接口的转换，有利于各种设备的智能一体化管理与控制，使实验操作更加简单便捷。

本实施例中，催化反应质谱评价装置包括两个主控板单片机，即两个下位单片机，下位单片机1负责4路质量流量计控制，主要是16路12位的AD采集，4路12位的DA控制输出以及8位IO输出做4路流量计的阀控、清洗、关闭三态控制；下位单片机2负责IO控制，主要负责控制8个继电器输出的开合，用于做信号触发以及8路用于控制继电器和电磁阀的24V电源输出。

下位单片机1主要负责4路质量流量计控制，内存变量说明如下：

下位单片机2主要负责IO控制，内存变量说明如下：

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，下位单片机接收上位机的指令，基于指令改写内存数值，并根据内存数值的改动执行相应的任务。

2.根据权利要求1所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，用于改写内存数值的指令包含的数据与格式分别遵从内存信息控制表、指令格式表。

3.根据权利要求2所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，如果一个上位机控制同一设备的多个下位单片机或不同设备的下位单片机，则对应于每个下位单片机，设置有内存信息控制表或指令格式表。

4.根据权利要求3所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，当一个上位机与同一设备的多个下位单片机通信时，采用多机通信协议，多个下位单片机共同一个端口。

5.根据权利要求1至4任一项所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，基于下位单片机与上位机之间的通信协议进行指令发收、数据传输采集，所述的通信协议的报文中包括命令、操作内存地址、改写内存数值的字节数、数据内容。

6.根据权利要求5所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，命令中加载的信息包括固定标识、操作类型、指令校验结果、下位单片机序号；其中，操作类型包括读取、写入；指令校验结果用于返回上位机当前指令的校验结果为正确或错误，如果指令校验错误，则将原命令的指令校验结果标识为代表错误的字符，作为回复数据返回至上位机。

7.根据权利要求6所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，当命令加载读取操作，如果指令校验正确，则向上位机返回回复数据，回复数据格式为：命令包含的固定标识、上位机请求读取的数据；当命令加载写入操作，如果指令校验正确，则写入数据，并将原命令作为回复数据返回至上位机。

8.根据权利要求7所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，如果下位单片机向上位机返回回复数据时，上个指令未发送完毕，则自动丢弃当前回复数据；如果下位单片机发生多个回复数据冲突，如果返回的回复数据不完整，则丢弃当前回复数据。

9.根据权利要求5所述的通用型下位单片机与上位机的通信方法，其特征在于，所述的通信协议的报文中，在数据内容后还包括在前的所有字节的循环冗余校验码。

10.一种催化反应质谱评价装置控制软件与催化反应质谱评价装置主控板单片机的通信方法，其特征在于，基于权利要求1至9任一项所述的通信方法，催化反应质谱评价装置控制软件作为上位机软件，控制催化反应质谱评价装置主控板单片机，完成对催化反应质谱评价装置的分子泵、真空规、流量计、电源、调谐阀、透镜、灯丝的开闭切换以及气体流量的读取、设定和校准。