引言

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

1、通信模塊功能

組態監測系統分為控制器和工程師站兩部分，圖1所示是系統的總體結構圖。圖中的控制器負責采集并處理數據，工程師站負責接收控制器發送過來的數據，并將數據顯示和保存。通信模塊根據用戶定義的通信協議實現工程師站組態軟件與控制器之間的數據通信，完成數據通信幀的組織下行和上行數據幀的校驗、解析。由此可見，在整個組態軟件中，通信功能模塊擔負著上層組態運行環境與下層控制器之間數據交互的重要作用。

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協議的流式套接字（SOCK_STREAM）來實現組態軟件通信模塊的程序設計。

為了實現網絡通訊，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。但對于較大型的應用程序來說，應該設計一個虛擬網絡接口層，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接口可以實現網絡通信，通信模塊通常以動態鏈接庫的形式存在。

2.1 Socket套接字

Windows Sockets不是一種網絡協議，而是一套開放的、可支持多種協議的、Windows下的網絡編程接口。Winsock實際在計算機中提供了一個通信接口，應用程序在網絡上傳輸信息都可以通過這個Socket接口來實現。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作為傳輸層協議，可實現無差錯無重復地順序數據包傳輸；數據報套接字（sock-dgram）定義了一種無連接的服務，它使用UDP協議，數據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）允許對低層協議（如IP或ICMP）直接訪問，主要用于新網絡協議的實現和測試等。

圖2給出了一種典型的C／S（客戶端服務器）面向連接套接字調用的實現流程。

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

連接建立之后，即可調用Winsock提供的函數來發送和接收數據，進程結束時，則關閉兩個套接字。

2.2 數據交互

通訊模塊主要與框架、在線兩個模塊以及控制器存在數據交互。圖3所示是其通訊模塊與組態軟件的其它模塊及控制器之間進行數據交互的流程圖。其中，通訊模塊發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據；二是在通訊中出現異常時，返回錯誤信息；三是在通訊出現超時時，返回超時信息。

2.3 數據傳輸協議

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

TCP是一種面向連接的協議，它可給用戶進程提供可靠的全雙工的數據通信，其所做的工作是把應用程序交給它的數據分成合適的小塊交給下面的網絡層，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。

Winsock的Nagle算法會降低小數據包的發送速度，因此應當定義一種數據結構，以將發送的數據按照這種數據結構以字符型ASCII發送，客戶端接收到服務器傳來的數據，按照這種數據結構解析數據，這樣做可以減少小數據包的數目，避免協議使用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協議本身的滑動窗口控制可以有效的防止阻塞的發生。假設服務器和客戶端的收發緩沖區大小為100 K字節，服務器每發送一個大小為80 K字的數據包，客戶端接收到這個數據包后，將返回一個應答，應答中包含有下次服務器能夠發送的最大的字節數，即下次服務器只能發送大小不能超過20 K字的數據。按照這種控制方法，TCP／IP可根據滑動窗口的大小控制發送的速度，滑動窗口大，則發送的數據量大，滑動窗口過小，則發送的數據量也會減小，這樣即可以防止阻塞的發生。

該通訊模塊中使用的防阻塞方法是在同步方式中采用select函數來檢查接收發送緩沖區的讀寫可用狀態。服務器端發送數據前，應先檢查服務器的發送緩沖區是否可寫，如不可寫，說明發送緩沖區己經寫滿，需要等待發送緩沖區有剩余空間時再發送，以避免阻塞。同樣，客戶端在讀緩沖區數據前，也應先檢查一下緩沖區是否可讀。如果發送緩沖區一直不可寫，那么可能是因為網絡斷開，或者網絡負載過大，使數據不能發送出去。

設置一個超時時限，可以阻塞發生時，當發送緩沖區不可寫的狀態超過設置的超時時間，系統則重新建立一個連接。

將這種方法和TCP／IP協議本身的防阻塞控制結合使用，可以有效地防止阻塞的發生。

3、通信模塊的實現

3.1 實現思路

為了實現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，由主線程調用外部接口函數以建立連接，同時，創建發送和接收線程，以分別用于數據的發送和接收。

當要發送數據時，主線程調用外部接口函數來發送數據。該函數先將待發送的數據填充到通訊模塊的發送緩沖區中，然后通知發送線程，并由發送線程負責將發送緩沖區中的數據發送出去。

當數據發送成功后，可由發送線程發送消息，通知接收線程準備接收數據。

當有應答數據到來時，接收線程將接收數據并將數據放入通訊模塊的接收緩沖區。接收完后，接收線程將發送消息以通知主線程讀取應答數據。

主線程接到通知后，將調用外部接口函數接收數據。該函數可將通訊模塊的接收緩沖區中的應答數據復制到應用程序指定的緩沖區中。

數據的發送和接收交替進行，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。這實質上是一些函數、數據和類集合成的可執行模塊。通信模塊采用動態鏈接庫形式，可以在實現同一臺機器上的多個工程師站組態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、數據的接收和發送封裝到動態鏈接庫中，同時屏蔽一些操作細節，這樣的方法可以方便地被其它程序所調用，更易于程序維護和移值，也方便將來程序的升級。

根據窗口句柄發送消息至該窗口，然后通知應用程序有數據到達。最后，還需要在函數前面使用extern“C”_declspec（dllexport）關鍵字，以使該PEI數能夠被其它程序所調用。函數的參數分別為端口號和應用程序的句柄。在應用程序中，只需要調用該函數，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和發送數據函數。組態軟件的在線等模塊通過調用這些導出函數，就可以完成與控制器的通訊，而不用考慮具體的通訊細節。具體的通訊細節可在這些導出函數中實現。

4、結束語

在基于TCP/IP協議網絡通訊的基礎上，針對狀態監測中數據傳輸的間歇這一特殊性，提出了一種基于事件驅動的網絡通訊模塊的設計方法，并將這種方法封裝到動態鏈接庫中，然后通過函數接口與應用程序交互。由于該通訊模塊是以動態鏈接庫形式給出的，編程者可以不需要深入了解TCP/IP協議以及Socket高級編程，而中需簡單地調用通訊模塊中的函數，即可實現局域網中數據的傳輸。本文所介紹的通信模塊的設計方法目前已經實現，其可行性也得到了驗證，并已應用在實際的組態軟件開發項目中。

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