2025-04-23-基于上下位机结构的系统实例分析
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基于上下位机结构的系统实例分析
参考资料
引言
在现代工业自动化、物联网和智能控制领域，上下位机结构是一种核心的分层控制架构。上位机（Upper Computer）通常是功能强大的计算机，如个人电脑、工业 PC 或服务器，负责监控、数据处理、用户交互和决策制定。下位机（Lower Computer）是直接与物理设备（如传感器、执行器）连接的控制器，如可编程逻辑控制器（PLC）、单片机或嵌入式系统，负责执行具体任务和数据采集。这种结构通过通信协议（如 Modbus、TCP/IP）实现高效协作，广泛应用于工业、物联网和嵌入式系统等领域。
基于上下位机结构的软件示例
上下位机结构概述
上下位机系统，也称为主从（Master-Slave）系统，是一种分层控制架构。它由一个处于控制地位的“上位机”（Master）和一个或多个受其控制的“下位机”（Slave）组成。
- 上位机（Master）： 通常是功能更强大、资源更丰富的计算机或控制单元。它负责发送指令、监控下位机的状态以及进行数据处理和分析。上位机往往具备人机交互界面，方便用户进行操作和管理。
典型设备：电脑、平板、手机、面板、触摸屏
- 下位机（Slave）： 通常是资源相对有限的嵌入式系统、单片机或执行特定任务的设备。它们接收并执行来自上位机的指令，并将执行结果或采集的数据反馈给上位机。
典型设备：PLC、stm32、51、FPGA、ARM 等各类可编程芯片。
典型的工业控制系统分为现场设备层和现场控制层，分别负责与物理设备交互和实时控制。在它们之上还有过程监控层、生产管理层（MES）、企业决策层（ERP），这三个层次统称为“上位机”系统。
如果系统没有完整的上位机层，也无妨，因为上位机仅用于监控和管理，并非直接负责执行 。广义上，“上位机”指所有基于 PC 的监控管理系统（如 SCADA、MES、ERP）；狭义上，多指 SCADA 本身，用于实时监控和数据采集。
通信协议与通信 API
通信协议（通信方式）
上位机和下位机之间的通信协议有很多，只要能完成通信的协议都可以用在上位机与下位机之间。
比如：
通信协议：RS232/RS485 串行通信、USB、蓝牙、网络 UDP/TCP
这个通信协议也是实现上位机与下位机之间数据交换的基本通道。
通信 API
在通信协议的基础上，具体发送什么数据即发送什么指令，还需要规定各个功能所对应的指令（上位机发给下位机的指令）。
每个功能所对应的指令叫做 API（Application Programming Interface）, 在实际工作中常称这个 api 为“私有通信协议”。
举例一条获取温度的 api：
1
[包头 + 获取温度对应的命令编码（编号）+ 校验位 + 包尾]
api 的命令格式，是自定义的一种固定的数据组合格式。不受任何通信方式和通信平台的限制。这就意味着，只要通信协议（通信方式）可以建立，上位机软件可以是任意开发语言和任意开发平台，下位机也可以使用任意类型的单片机。
上位机主要是对接 PLC、仪表、运动控制卡、视觉等，通信方式包括通信协议、OPC、API 或 SDK，如下图所示：
定义与功能
上位机和下位机在控制系统中分工明确，功能互补：
上位机作为系统的“大脑”，处理复杂任务并与用户交互；下位机作为“执行者”，确保实时性和精确性。两者通过串口（RS232/RS485）、以太网或无线协议通信，形成高效的控制体系。
工作原理
上位机发送的指令会首先传递给下位机，下位机收到后将其解析为相应的时序信号，从而直接驱动具体的设备运行。下位机会不断采集设备的状态数据（通常为模拟量），并将这些数据转换为数字信号，上报给上位机进行监控与处理 。
上下位机均需进行编程开发，且各自拥有针对性的开发环境与工具，下位机常见于 PLC、单片机或智能模块等，而上位机通常为基于 PC 的监控管理系统 。
在系统架构层面，上位机相当于“控制者”和“服务提供者”，负责发出控制指令并处理反馈；下位机则扮演“被控制者”和“服务执行者”，直接与现场设备交互，实现具体控制逻辑。两者之间的通信方式多样，通常由下位机来决定其所支持的专有协议，以保证数据传输的可靠性与实时性，例如常见的 RS232、RS485、MODBUS、PROFIBUS 等 。
下位机在出厂时一般会附带详细的通信手册，其中定义了该设备专用的协议格式与帧结构，开发人员在进行上位机编程时只需调用相应的 API 或驱动库即可快速实现通信对接。因此，主机与从机的关系不仅体现在控制与被控上，更体现在两者通信协议的配合与适配上，以确保工业现场系统的稳定运行与高效协同。
开发工具
上位机开发通常使用 C/C++（Qt、MFC）、C#（.NET 平下的 WinForms/WPF）、VB。其中就目前的情况来看，Qt 和 WinForms 应该是目前应用相对比较广的。VB 和 MFC 比较老旧，做的界面也比较有年代感。其中，新版本的 Qt 还支持用 Python 来编写。而 WPF 算是后起之秀，也逐渐替代 WinForms，其制作的上位机界面较新式。其他，一些组态软件是专门做上位机软件的，像组态王、力控，相当于是二次开发，门槛较低一些，操作也比较简单，但是拓展性差。
系统实例分析
工业自动化控制系统
在工厂的自动化生产线上，上位机通常是工控机（Industrial PC）或 PLC（可编程逻辑控制器），负责监控和协调整个生产过程。下位机则是各种执行机构，如机械臂、传感器、电机驱动器等。
- 例子： 假设一条饮料灌装生产线。上位机通过人机界面接收生产指令（例如，灌装多少瓶、什么类型的饮料等）。然后，上位机向下位机的各个模块发送指令：
- 发送指令给传送带控制下位机，启动传送带。
- 发送指令给灌装机下位机，控制饮料的精确灌装。
- 发送指令给封盖机下位机，完成瓶盖的封装。
- 发送指令给贴标机下位机，进行标签的粘贴。
- 各个下位机在完成任务后，将状态信息（例如，是否完成、是否有异常等）反馈给上位机。
智能家居系统
在智能家居系统中，上位机通常是中央控制主机、智能手机 App 或语音助手，负责接收用户的指令和管理各个智能设备。下位机则是各种智能家居设备，如智能灯泡、智能插座、智能门锁、环境传感器等。
- 例子： 用户通过手机 App（上位机）发送指令打开客厅的灯。
- 手机 App 将“打开客厅灯”的指令发送给中央控制主机（上位机）。
- 中央控制主机通过无线协议（例如，Zigbee、Wi-Fi）将指令发送给客厅的智能灯泡（下位机）。
- 智能灯泡接收到指令后，执行亮灯操作，并可能将状态信息（例如，当前亮度、颜色等）反馈给中央控制主机，最终显示在手机 App 上。
机器人控制系统
在机器人控制系统中，上位机通常是负责路径规划、任务决策的高性能处理器或工作站。下位机则是机器人的各个关节驱动器、传感器、末端执行器等。
- 例子： 一个巡逻机器人需要按照预设的路线进行巡逻，并在发现异常情况时进行上报。
- 上位机（例如，嵌入式主板或工控机）负责存储巡逻路线、分析传感器数据以识别异常、并进行通信。
- 下位机（例如，电机驱动器、摄像头、红外传感器等）负责执行电机的运动指令、采集图像和环境数据。
- 上位机根据预设路线，向下位机的电机驱动器发送运动指令。同时，上位机接收来自摄像头和红外传感器的数据，进行分析。如果发现异常情况（例如，检测到移动物体），上位机会将警报信息发送给远程监控系统（可以看作更高级别的上位机）。
医疗设备
在一些复杂的医疗设备中，也采用上下位机结构。例如，医学影像设备或监护系统。
- 例子： 一台 CT 扫描仪。
- 上位机（操作控制台的计算机）负责接收医生的扫描参数设置、控制扫描过程、进行图像重建和显示。
- 下位机（扫描床控制器、X 射线发生器控制器、数据采集系统等）负责按照上位机的指令精确地移动病人、发射 X 射线、采集数据。
上下位机系统的优缺点
优点：
- 结构清晰，易于理解： 分层结构使得系统逻辑清晰，方便开发和维护。
- 资源优化利用： 上位机负责复杂的计算和管理，下位机专注于特定任务，可以根据需求选择合适的硬件资源。
- 可靠性高： 下位机通常功能单一，故障率相对较低。即使某个下位机出现故障，通常不会影响整个系统的运行。
- 良好的实时性： 下位机可以针对实时性要求较高的任务进行优化设计。
缺点：
- 依赖性强： 下位机的运行完全依赖于上位机的指令，一旦上位机发生故障，整个系统可能会瘫痪。
- 通信负担： 上位机需要与多个下位机进行通信，当系统规模较大时，通信量可能会成为瓶颈。
- 实时性要求高的场景中，上位机的响应速度可能影响下位机的性能。
上下位机结构在工业自动化中仍占主导，但物联网技术的兴起可能部分取代传统 SCADA 系统。例如，工业物联网（IIoT）通过更智能的连接生态提供更高的灵活性，但在实时性和可靠性方面，传统上下位机结构仍具优势。争议在于，是否应完全转向物联网架构，还是继续优化现有结构以适应新需求。
结论
- 上位机是指可以直接发出操控命令的计算机
- 下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机
- 工控机，工作站，触摸屏作为上位机， 通信控制 PLC，单片机等作为下位机
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