基于TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和SOCKET接口實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件通訊模塊的設(shè)計(jì)

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(shè)置項(xiàng)目。組態(tài)軟件所涉及的工業(yè)領(lǐng)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(shè)備進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(luò)協(xié)議和SOCKET接口技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件通訊模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)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(fù)責(zé)采集并處理數(shù)據(jù)，工程師站負(fù)責(zé)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(shí)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(yàn)、解析。由此可見，在整個組態(tài)軟件中，通信功能模塊擔(dān)負(fù)著上層組態(tài)運(yùn)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(shè)計(jì)

為了能夠及時、準(zhǔn)確的反映設(shè)備運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)時可采用基于TCP／IP協(xié)議的流式套接字（SOCK_STREAM）來實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件通信模塊的程序設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，Windows為應(yīng)用程序提供了各種編程接口，如Windows Sockets API等，應(yīng)用程序可以直接使用這些API函數(shù)。但對于較大型的應(yīng)用程序來說，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個虛擬網(wǎng)絡(luò)接口層，以使能用windows提供的各種通訊API來為應(yīng)用程序提供通用的網(wǎng)絡(luò)功能。這樣的接口層可以采用中間DLL的形式，它將應(yīng)用程序和windows的各種API隔離開來，使程序員能更方便地設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用程序。這樣的設(shè)計(jì)可使應(yīng)用程序更易于維護(hù)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)編程接口。Winsock實(shí)際在計(jì)算機(jī)中提供了一個通信接口，應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息都可以通過這個Socket接口來實(shí)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(wù)，它使用TCP作為傳輸層協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)無差錯無重復(fù)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(wù)，它使用UDP協(xié)議，數(shù)據(jù)通過相互獨(dú)立的報文進(jìn)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(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和測試等。

圖2給出了一種典型的C／S（客戶端服務(wù)器）面向連接套接字調(diào)用的實(shí)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(jī)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(jī)制的網(wǎng)絡(luò)事件選擇功能，當(dāng)它所登記的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時，應(yīng)用程序相應(yīng)的窗口會收到一個消息，消息中指明了所發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件以及與該網(wǎng)絡(luò)事件相關(guān)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(jìn)程結(jié)束時，則關(guān)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(jìn)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(xiàng)功能：一是通知在線模塊讀取控制器返回的應(yīng)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(luò)層。傳輸層主要為應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(luò)層，同時確認(rèn)接收到的分組，并提供流量控制、設(shè)定超時及重傳等機(jī)制。由于TCP提供有高可靠性的端到端的通信，因此，應(yīng)用程序可以忽略所有這些細(xì)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(yīng)當(dāng)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(wù)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(yīng)代替輪詢也是提高傳輸實(shí)時性的一種措施。

2.4 阻塞的預(yù)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(shè)服務(wù)器和客戶端的收發(fā)緩沖區(qū)大小為100 K字節(jié)，服務(wù)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(yīng)答，應(yīng)答中包含有下次服務(wù)器能夠發(fā)送的最大的字節(jié)數(shù)，即下次服務(wù)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(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)前，應(yīng)先檢查服務(wù)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(yīng)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?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)斷開，或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大，使數(shù)據(jù)不能發(fā)送出去。

設(shè)置一個超時時限，可以阻塞發(fā)生時，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)不可寫的狀態(tài)超過設(shè)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(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)思路

為了實(shí)現(xiàn)與控制器之間的異步通訊，通訊模塊的總體設(shè)計(jì)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(dāng)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(fù)責(zé)將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

當(dāng)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(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

當(dāng)有應(yīng)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(yīng)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(yīng)答數(shù)據(jù)復(fù)制到應(yīng)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(jìn)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(shù)可以提供一種方便、快捷的資源共享途徑。這實(shí)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(shí)現(xiàn)同一臺機(jī)器上的多個工程師站組態(tài)軟件進(jìn)程的同時與多個控制器進(jìn)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(xì)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(hù)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(yīng)用程序有數(shù)據(jù)到達(dá)。最后，還需要在函數(shù)前面使用extern“C”_declspec（dllexport）關(guān)鍵字，以使該P(yáng)EI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(yīng)用程序的句柄。在應(yīng)用程序中，只需要調(diào)用該函數(shù)，就可以開啟TCP/IP服務(wù)。按照同樣的方法，也可以封裝連接服務(wù)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(dǎo)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(xì)節(jié)。具體的通訊細(xì)節(jié)可在這些導(dǎo)出函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

4、結(jié)束語

在基于TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通訊的基礎(chǔ)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(luò)通訊模塊的設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)方法目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，其可行性也得到了驗(yàn)證，并已應(yīng)用在實(shí)際的組態(tài)軟件開發(fā)項(xiàng)目中。

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