上位机通信基础知识
上位机通信基础知识
上位机通信的概念
- 上位机：负责监控、数据处理、逻辑控制和人机交互。
- 下位机：PLC、单片机、嵌入式系统等，负责实时控制、数据采集或执行具体的任务。
上位机与下位机通信通过特定的协议和硬件接口，实现双向数据交换。
典型场景：
- 指令下发：上位机发送控制命令（启动/停止）到下位机。
- 数据上传：下位机将设备状态、数据（扭力、温度、压力等）发送给上位机。
通信方式与协议
通信方式：
- 串口通信：RS-232、RS-485（低成本、短距离 ）
- 以太网：TCP/IP、Ethernet/IP（高速、远距离）
- 工业总线：CAN、EtherCat、Profinet（高实时性）
- 无线通信：Wi-Fi、蓝牙、LoRa（灵活部署）
协议：
- Modbus：支持串口通信和 TCP 通信，基于寄存器的通信操作，通过寄存器地址去访问数据，主从式通信。协议简单没有内置安全机制，不支持复杂的数据类型。
- OPC UA：支持跨平台、高安全性、复杂的数据结构和历史数据访问。
- CANopen：实时性高，抗干扰性好，支持多组通信，优先级仲裁机制。但传输速率有限，并不适合长距离传输。主要用于汽车和工控行业。
- EtherCAT：高实时性，微秒级响应-分布式时钟同步，适用于高精度的运动控制、高速的自动化生产线，部分需要授权才能使用。
- PLC：每个 PLC 支持的协议不同，需要根据对应的 PLC 决定。
- MQTT：轻量级，基于发布-订阅模式，适合低低带宽、不稳定网络环境
串口通信的参数配置：波特率、数据位（8 位）、校验反思（奇偶校验），需要与下位机一致。
数据交换
数据格式：
- 字节流：二进制数据（需按协议解析），以 byte 为单位存储，紧凑高效，解析速度块，适合对实时性和宽带要求高的场景，但可读性差，需要严格约定格式。
- 结构化数据：JSON、XML（可读性高、简洁性，常用于物联网）。
通信模式：
- 轮询：适合简单、低实时性场景，成本低但效率有限。
上位机开启线程循环等待是否读取到下位机传输的数据，收到数据返回收到数据信号。
- 中断：适合紧急事件处理，实时性强但需控制触发频率。
下位机检查到特定事件，如异常状态或数据时，主动反馈数据给上位机。
- 发布-订阅：适合于多设备协同场景（如 MQTT）
上位机（订阅者）订阅感兴趣的事件，仅接收到感兴趣的事件进行处理，无需知道发布者。
下位机（发布者）将数据封装成事件，主动发布到中心服务器上，无需知道订阅者。
异常处理
处理通信连接异常、接收不到数据、数据丢失、控制失效和设备故障等问题，提供处理逻辑。
- 超时重试：在没有接收到响应的情况下，触发自动重发请求，若重试成功则恢复通信（需设置最大重试次数，避免无限重试）
- 错误校验：
- 硬件校验：奇偶检验、CRC 校验。
- 软件校验：校验和、哈希值。
- 日志记录：详细记录异常时间、错误码、设备地址、数据内容，便于故障排查。
关闭连接
- 正常关闭：发送终止指令，释放资源。
- 异常恢复：断线后自动重连（需心跳包机制，异常检测与自动恢复）。