道岔是一種常見的鐵路配件，在鐵路的正常運行中，起著至關重要的作用。作為道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，轉轍機(switch machine)是組成鐵路道岔系統(tǒng)的重要零件。在編組站中，為了減少中間環(huán)節(jié)，列車停車器借用轉轍機控制系統(tǒng)。編組站上的列車停車器控制系統(tǒng)的可靠性、安全性和操作的方便性對于提高鐵路系統(tǒng)的安全性和效率、降低人力成本具有重要意義。為了配合控制和監(jiān)督集中化的趨勢，應該采用集控式控制，并且通過協(xié)議實現(xiàn)和計算機的單主機多從機系統(tǒng)，最終并入主系統(tǒng)。Modbus是一種開放的、免費的通訊協(xié)議，具有數據的安全性、物理媒介的廣泛適用性和網絡互連的多樣性等優(yōu)勢。因此，我們自行設計了一種居于單片機和Modbus協(xié)議的雙機通信控制系統(tǒng)。采用主從模式，實現(xiàn)一臺主機遠程監(jiān)視和控制多臺從機。

本文重點介紹了C8051通過Modbus協(xié)議與PC機進行串口通信以及單片機數據采集的硬件電路和軟件編程，且應用了基于Modbus協(xié)議的報文結構，可以更有效地通信。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

系統(tǒng)的總體結構由兩層組成：上層為數據監(jiān)控層，稱為主機，由顯示終端PC機組成，用于控制和顯示現(xiàn)場控制情況；下層為數據采集層，稱為從機，由實現(xiàn)Modbus協(xié)議的單片機(Modbus協(xié)議模塊)、實現(xiàn)控制的單片機(現(xiàn)場主控制模塊)、輸入輸出模塊、LCD、傳感器、電源模塊、復位模塊和接口電路組成；Modbus協(xié)議不需要特別的接口，典型的物理接口是RS-485，而RS-485為半雙工結構，現(xiàn)場中比全雙工往往更接近于實用，在此采用只有2條信號線的簡易型連接。因此兩層之間通過RS232-485相連，在標準的Modbus協(xié)議下進行通信，如圖1所示。

上下層的通信方式為主從方式。首先，主機廣播請求幀，而每個從機都有自己獨立的地址，并且請求幀的首部是從地址，所有從機將請求幀的首部和白己的地址對比。如果相同，則自己是目的從機，并且向主機發(fā)送以自己地址開頭的應答幀；否則不是。
由于裝置需要實現(xiàn)多任務。為了優(yōu)化系統(tǒng)功能，采用了雙單片機的系統(tǒng)結構設計方法。其中一個單片機模塊負責實時采集現(xiàn)場信息和控制現(xiàn)場系統(tǒng)；另一個單片機模塊負責數據處理并做相應的封裝，通過Modbus協(xié)議和PC機通信，如圖2所示。

2 硬件設計

因為主機就是PC機，所以這里的硬件設計就是從機的硬件設計。

(1)控制和通信模塊(見圖3)

控制和通信模塊有現(xiàn)場主控制模塊和Modbus協(xié)議模塊組成，現(xiàn)場主控制模塊是為了實現(xiàn)本地實時采集信息和控制輸出。Modbus協(xié)議模塊是為了實現(xiàn)更加安全有效地和PC機通信。

現(xiàn)場主控制模塊僅有一片單片機組成，分兩個方向：控制采集方向和通信方向。控制采集方向也按控制和采集分為輸出和輸入兩部分，實現(xiàn)根據輸入的采集信息，實時輸出相應的控制信息。通信方向通過主從機通信方式與Modbus協(xié)議模塊進行通信。

Modbus協(xié)議模塊只有一片單片機和RSM-485系列隔離收發(fā)模塊組成，也分兩個方向：現(xiàn)場主控制通信方向和PC機通信方向。現(xiàn)場主控制通信方向通過主從機通信方式與現(xiàn)場主控制模塊進行通信。PC機通信方向通過RSM485和PC通信，詳情是單片機輸出的TTL邏輯電平通過RSM485系列隔離收發(fā)模塊轉換為RS-485電平，經過RS-485跟PC機進行通信。有圖3可知，當P0．6輸出高電平時，CON使能，單片機一側接收數據；當P0.6輸出低電平時，單片機一側發(fā)送數據。

[注]：計算機上一般都沒有RS-485接口(有些專業(yè)應用的工控機上有RS-485接口)，一般來說電腦要具備RS-485的連接功能的話，可以有三個方法實現(xiàn)：1，使用ISA、PCI轉RS-485的轉接卡，直接像顯卡、聲卡一樣插在插槽里，轉出一個RS-485串口。2，使用RS-232轉RS-485的轉換器，將電腦的RS-232串口轉為RS-485串口。3，使用USB轉RS-485的轉換器，也可以轉接出RS-485串口。

(2)其他模塊

外部電源提供直流24V輸入，通過DC-DC電源模塊AV10-24S05，輸出直流3.3V。輸入端發(fā)光二極管PWR24V的作用是指示24V直流電源是否正確輸入。輸出端發(fā)光二極管PWRVDD的作用是指示3.3V直流電源是否正確輸出，如圖4所示。

2 硬件設計

因為主機就是PC機，所以這里的硬件設計就是從機的硬件設計。

(1)控制和通信模塊(見圖3)

控制和通信模塊有現(xiàn)場主控制模塊和Modbus協(xié)議模塊組成，現(xiàn)場主控制模塊是為了實現(xiàn)本地實時采集信息和控制輸出。Modbus協(xié)議模塊是為了實現(xiàn)更加安全有效地和PC機通信。

現(xiàn)場主控制模塊僅有一片單片機組成，分兩個方向：控制采集方向和通信方向。控制采集方向也按控制和采集分為輸出和輸入兩部分，實現(xiàn)根據輸入的采集信息，實時輸出相應的控制信息。通信方向通過主從機通信方式與Modbus協(xié)議模塊進行通信。

Modbus協(xié)議模塊只有一片單片機和RSM-485系列隔離收發(fā)模塊組成，也分兩個方向：現(xiàn)場主控制通信方向和PC機通信方向。現(xiàn)場主控制通信方向通過主從機通信方式與現(xiàn)場主控制模塊進行通信。PC機通信方向通過RSM485和PC通信，詳情是單片機輸出的TTL邏輯電平通過RSM485系列隔離收發(fā)模塊轉換為RS-485電平，經過RS-485跟PC機進行通信。有圖3可知，當P0．6輸出高電平時，CON使能，單片機一側接收數據；當P0.6輸出低電平時，單片機一側發(fā)送數據。

[注]：計算機上一般都沒有RS-485接口(有些專業(yè)應用的工控機上有RS-485接口)，一般來說電腦要具備RS-485的連接功能的話，可以有三個方法實現(xiàn)：1，使用ISA、PCI轉RS-485的轉接卡，直接像顯卡、聲卡一樣插在插槽里，轉出一個RS-485串口。2，使用RS-232轉RS-485的轉換器，將電腦的RS-232串口轉為RS-485串口。3，使用USB轉RS-485的轉換器，也可以轉接出RS-485串口。

(2)其他模塊

外部電源提供直流24V輸入，通過DC-DC電源模塊AV10-24S05，輸出直流3.3V。輸入端發(fā)光二極管PWR24V的作用是指示24V直流電源是否正確輸入。輸出端發(fā)光二極管PWRVDD的作用是指示3.3V直流電源是否正確輸出，如圖4所示。

通過輸入模塊，位置傳感器將轉轍機的行程信號輸入到控制單片機中。先經過濾波以減小干擾，然后經過光電隔離以保護主控電路，最后通過輸入到單片機端口上，通過發(fā)光二極管顯示輸入的電平高低情況，如圖5所示。

現(xiàn)場主控制模塊單片機輸出的TTL邏輯電平通過光電隔離后，經過三極管放大的輸出，經過接24 V電源的上拉電阻和顯示用的發(fā)光二極管，輸出電壓以控制繼電器，選擇正反兩個連線方案，進而實現(xiàn)對轉轍機電動機的控制，實現(xiàn)前進、后退和停止，如圖6所示。

3 軟件設計

(1)主機程序

主機程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)的初始化包括打開串口和設置串口。程序先檢測是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，則根據按鍵封裝相應的數據并發(fā)送，否則繼續(xù)檢測是否有按鍵按下。然后檢測串口是否收到來自從機的數據，如果有收到數據，則解析該數據并做相關處理，顯示出來，然后繼續(xù)檢測是否有按鍵按下，否則繼續(xù)檢測串口是否有收到數據。

(2)從機程序

從機程序流程圖如圖8所示。系統(tǒng)的初始化包括打開串口和設置串口。程序先檢測串口是否收到來自主機的控制數據，此時也包括檢查數據是否發(fā)送給本機，如果有收到數據則解析該數據，并對電機做出相應的控制；否則繼續(xù)檢測串口是否有數據。然后封裝并發(fā)送現(xiàn)場采集的信息，之后繼續(xù)檢測串口是否有數據。

4 結束語

此系統(tǒng)整體成本相對較低安全性、可靠性和實用性較高，實現(xiàn)集中化監(jiān)視和實時控制現(xiàn)場系統(tǒng)，節(jié)約成本，而且根據需要，可以在預留的端口上接入相關設備并增加相應程序便可并入主系統(tǒng)，比如增加視頻采集設備和相關程序，便可以更方便地查看停車器現(xiàn)場的實時情況。