0  引言

組態(tài)軟件是面向工程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的軟件平臺工具，具有豐富的設置項目。組態(tài)軟件所涉及的工業(yè)領域非常廣泛，在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。組態(tài)軟件要接收現(xiàn)場的采集數(shù)據(jù)，并形成動態(tài)畫面，以反映工業(yè)現(xiàn)場的各種狀態(tài)，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場設備進行控制。這些都依賴于組態(tài)軟件的通信模塊。通信模塊作為組態(tài)運行環(huán)境中數(shù)據(jù)交互的重要渠道，通常處于監(jiān)控組態(tài)軟件運行環(huán)境的核心區(qū)，其功能直接決定著組態(tài)軟件的性能。本文在基于TCP／IP網(wǎng)絡協(xié)議和SOCKET接口技術的基礎上，介紹了基于IEC61131-3標準的組態(tài)軟件通訊模塊的設計與實現(xiàn)方法。

1  通信模塊功能

組態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分為控制器和工程師站兩部分，圖1所示是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。圖中的控制器負責采集并處理數(shù)據(jù)，工程師站負責接收控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示和保存。通信模塊根據(jù)用戶定義的通信協(xié)議實現(xiàn)工程師站組態(tài)軟件與控制器之間的數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)通信幀的組織下行和上行數(shù)據(jù)幀的校驗、解析。由此可見，在整個組態(tài)軟件中，通信功能模塊擔負著上層組態(tài)運行環(huán)境與下層控制器之間數(shù)據(jù)交互的重要作用。

2  通信模塊設計

為了能夠及時、準確的反映設備運行狀況，設計時可采用基于TCP／IP協(xié)議的流式套接字(SOCK_STREAM)來實現(xiàn)組態(tài)軟件通信模塊的程序設計。

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊，Windows為應用程序提供了各種編程接口，如Windows Sockets API等，應用程序可以直接使用這些API函數(shù)。但對于較大型的應用程序來說，應該設計一個虛擬網(wǎng)絡接口層，以使能用windows提供的各種通訊API來為應用程序提供通用的網(wǎng)絡功能。這樣的接口層可以采用中間DLL的形式，它將應用程序和windows的各種API隔離開來，使程序員能更方便地設計自己的應用程序。這樣的設計可使應用程序更易于維護和移植。

基于通信需求和上述思路，利用基于TCP_IP的SOCKET接口可以實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，通信模塊通常以動態(tài)鏈接庫的形式存在。

2.1 Socket套接字  

Windows Sockets不是一種網(wǎng)絡協(xié)議，而是一套開放的、可支持多種協(xié)議的、Windows下的網(wǎng)絡編程接口。Winsock實際在計算機中提供了一個通信接口，應用程序在網(wǎng)絡上傳輸信息都可以通過這個Socket接口來實現(xiàn)。Windows Sockets分為三種類型：其中流式套接字(sock-stream)定義了一種可靠的面向連接的服務，它使用TCP作為傳輸層協(xié)議，可實現(xiàn)無差錯無重復地順序數(shù)據(jù)包傳輸；數(shù)據(jù)報套接字(sock-dgram)定義了一種無連接的服務，它使用UDP協(xié)議，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，而且是無序的，同時不保證可靠和無差錯；原始套接字(sock-raw)允許對低層協(xié)議(如IP或ICMP)直接訪問，主要用于新網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)和測試等。

圖2給出了一種典型的C／S(客戶端服務器)面向連接套接字調(diào)用的實現(xiàn)流程。

本系統(tǒng)中，工程師站組態(tài)軟件一般可作為客戶端向控制器發(fā)送連接請求，以建立連接。由于控制器采集數(shù)據(jù)是周期性的，組態(tài)軟件采用異步選擇機制判斷控制器是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過來。Windows Sockets的異步選擇函數(shù)提供了消息機制的網(wǎng)絡事件選擇功能，當它所登記的網(wǎng)絡事件發(fā)生時，應用程序相應的窗口會收到一個消息，消息中指明了所發(fā)生的網(wǎng)絡事件以及與該網(wǎng)絡事件相關的一些信息。

    連接建立之后，即可調(diào)用Winsock提供的函數(shù)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，進程結(jié)束時，則關閉兩個套接字。

2.2  數(shù)據(jù)交互

通訊模塊主要與框架、在線兩個模塊以及控制器存在數(shù)據(jù)交互。圖3所示是其通訊模塊與組態(tài)軟件的其它模塊及控制器之間進行數(shù)據(jù)交互的流程圖。其中，通訊模塊發(fā)送給框架窗口的消息主要有三項功能：一是通知在線模塊讀取控制器返回的應答數(shù)據(jù)；二是在通訊中出現(xiàn)異常時，返回錯誤信息；三是在通訊出現(xiàn)超時時，返回超時信息。

2.3  數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

TCP／IP協(xié)議族的核心部分是傳輸層和網(wǎng)絡層。傳輸層主要為應用程序提供端到端的通信，TCP／IP協(xié)議族有兩個互不相同的傳輸協(xié)議，即TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)。

TCP是一種面向連接的協(xié)議，它可給用戶進程提供可靠的全雙工的數(shù)據(jù)通信，其所做的工作是把應用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡層，同時確認接收到的分組，并提供流量控制、設定超時及重傳等機制。由于TCP提供有高可靠性的端到端的通信，因此，應用程序可以忽略所有這些細節(jié)。

Winsock的Nagle算法會降低小數(shù)據(jù)包的發(fā)送速度，因此應當定義一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以將發(fā)送的數(shù)據(jù)按照這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以字符型ASCII發(fā)送，客戶端接收到服務器傳來的數(shù)據(jù)，按照這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析數(shù)據(jù)，這樣做可以減少小數(shù)據(jù)包的數(shù)目，避免協(xié)議使用Nagle算法。此外通過消息響應代替輪詢也是提高傳輸實時性的一種措施。

2.4  阻塞的預防及處理

TCP／IP協(xié)議本身的滑動窗口控制可以有效的防止阻塞的發(fā)生。假設服務器和客戶端的收發(fā)緩沖區(qū)大小為100 K字節(jié)，服務器每發(fā)送一個大小為80 K字的數(shù)據(jù)包，客戶端接收到這個數(shù)據(jù)包后，將返回一個應答，應答中包含有下次服務器能夠發(fā)送的最大的字節(jié)數(shù)，即下次服務器只能發(fā)送大小不能超過20 K字的數(shù)據(jù)。按照這種控制方法，TCP／IP可根據(jù)滑動窗口的大小控制發(fā)送的速度，滑動窗口大，則發(fā)送的數(shù)據(jù)量大，滑動窗口過小，則發(fā)送的數(shù)據(jù)量也會減小，這樣即可以防止阻塞的發(fā)生。

該通訊模塊中使用的防阻塞方法是在同步方式中采用select函數(shù)來檢查接收發(fā)送緩沖區(qū)的讀寫可用狀態(tài)。服務器端發(fā)送數(shù)據(jù)前，應先檢查服務器的發(fā)送緩沖區(qū)是否可寫，如不可寫，說明發(fā)送緩沖區(qū)己經(jīng)寫滿，需要等待發(fā)送緩沖區(qū)有剩余空間時再發(fā)送，以避免阻塞。同樣，客戶端在讀緩沖區(qū)數(shù)據(jù)前，也應先檢查一下緩沖區(qū)是否可讀。如果發(fā)送緩沖區(qū)一直不可寫，那么可能是因為網(wǎng)絡斷開，或者網(wǎng)絡負載過大，使數(shù)據(jù)不能發(fā)送出去。

設置一個超時時限，可以阻塞發(fā)生時，當發(fā)送緩沖區(qū)不可寫的狀態(tài)超過設置的超時時間，系統(tǒng)則重新建立一個連接。

將這種方法和TCP／IP協(xié)議本身的防阻塞控制結(jié)合使用，可以有效地防止阻塞的發(fā)生。

3  通信模塊的實現(xiàn)

3.1  實現(xiàn)思路

為了實現(xiàn)與控制器之間的異步通訊，通訊模塊的總體設計如圖4所示。

首先，由主線程調(diào)用外部接口函數(shù)以建立連接，同時，創(chuàng)建發(fā)送和接收線程，以分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

當要發(fā)送數(shù)據(jù)時，主線程調(diào)用外部接口函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)。該函數(shù)先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)填充到通訊模塊的發(fā)送緩沖區(qū)中，然后通知發(fā)送線程，并由發(fā)送線程負責將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

當數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，可由發(fā)送線程發(fā)送消息，通知接收線程準備接收數(shù)據(jù)。

當有應答數(shù)據(jù)到來時，接收線程將接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)放入通訊模塊的接收緩沖區(qū)。接收完后，接收線程將發(fā)送消息以通知主線程讀取應答數(shù)據(jù)。

主線程接到通知后，將調(diào)用外部接口函數(shù)接收數(shù)據(jù)。該函數(shù)可將通訊模塊的接收緩沖區(qū)中的應答數(shù)據(jù)復制到應用程序指定的緩沖區(qū)中。

數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收交替進行，就可以完成特定的操作。

3.2  模塊封裝

通過動態(tài)鏈接庫技術可以提供一種方便、快捷的資源共享途徑。這實質(zhì)上是一些函數(shù)、數(shù)據(jù)和類集合成的可執(zhí)行模塊。通信模塊采用動態(tài)鏈接庫形式，可以在實現(xiàn)同一臺機器上的多個工程師站組態(tài)軟件進程的同時與多個控制器進行通訊。

將通信模塊中套接字的建立、端口的綁定、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送封裝到動態(tài)鏈接庫中，同時屏蔽一些操作細節(jié)，這樣的方法可以方便地被其它程序所調(diào)用，更易于程序維護和移值，也方便將來程序的升級。

根據(jù)窗口句柄發(fā)送消息至該窗口，然后通知應用程序有數(shù)據(jù)到達。最后，還需要在函數(shù)前面使用extern“C”_declspec（dllexport）關鍵字，以使該PEI數(shù)能夠被其它程序所調(diào)用。函數(shù)的參數(shù)分別為端口號和應用程序的句柄。在應用程序中，只需要調(diào)用該函數(shù)，就可以開啟TCP/IP服務。按照同樣的方法，也可以封裝連接服務函數(shù)和發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)。組態(tài)軟件的在線等模塊通過調(diào)用這些導出函數(shù)，就可以完成與控制器的通訊，而不用考慮具體的通訊細節(jié)。具體的通訊細節(jié)可在這些導出函數(shù)中實現(xiàn)。

4  結(jié)束語

在基于TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡通訊的基礎上，針對狀態(tài)監(jiān)測中數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g歇這一特殊性，提出了一種基于事件驅(qū)動的網(wǎng)絡通訊模塊的設計方法，并將這種方法封裝到動態(tài)鏈接庫中，然后通過函數(shù)接口與應用程序交互。由于該通訊模塊是以動態(tài)鏈接庫形式給出的，編程者可以不需要深入了解TCP/IP協(xié)議以及Socket高級編程，而中需簡單地調(diào)用通訊模塊中的函數(shù)，即可實現(xiàn)局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)的傳輸。本文所介紹的通信模塊的設計方法目前已經(jīng)實現(xiàn)，其可行性也得到了驗證，并已應用在實際的組態(tài)軟件開發(fā)項目中。