基于RS-485總線的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)

RS-485 總線型遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，這主要因?yàn)?RS-485總線具有傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。在傳輸速率為9600bit/s時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km以上，最高傳輸速率可達(dá)10Mbit/s，且只用普通雙絞線即可，同一對雙絞線上可以掛接多至256個(gè)以上的終端。有許多工業(yè)測控模塊都是采用 RS-485總線型的，比如 Adam、Nudan 等，但價(jià)格較高。本文介紹的 RS-485遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)的分布式測控系統(tǒng)的特點(diǎn)、利用了 RS-485總線的特點(diǎn)，而且巧妙地應(yīng)用了 AT89C2051 單片機(jī)和 CD4067 多路開關(guān)，因而成本低，功能靈活，使用簡單。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由一臺 PC 作為主機(jī)，多至255 臺AT89C2051 單片機(jī)作為從機(jī)，如圖1所示。主機(jī)的 RS-232 串行口經(jīng)過外插式的 RS-232/RS-485 轉(zhuǎn)換器變成 RS-485的數(shù)字信號總線。PC與單片機(jī)之間通過 RS-485數(shù)字信號總線進(jìn)行串行通信。

圖1 系統(tǒng)原理圖

單片機(jī)的串行口通過 MAX485 芯片轉(zhuǎn)換成 RS-485 規(guī)程。單片機(jī)的 P1.0～P1.3 用于作為兩片

CD4067（16選1多路開關(guān)）的地址選擇信號。兩片 CD4067 共同構(gòu)成一個(gè)雙16選1多路開關(guān)。PC首先發(fā)出所要選中的單片機(jī)編號m（0～254），然后發(fā)送該單片機(jī)控制的通道的序號n（0～15），這時(shí)第m個(gè)單片機(jī)的第n個(gè)通道選中，其信號與本系統(tǒng)的模擬信號總線相通，并傳送到PC并行口（即打印口）上掛接的微型數(shù)據(jù)采集器上。微型數(shù)據(jù)采集器對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和顯示。如果被選中的通道的模擬信號是電流信號而不是電壓信號，則需要在模擬信號總線之間并接一只電阻，以便將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。為了能有效地傳送比較微弱的模擬信號，比如熱電偶的熱電勢信號，系統(tǒng)的模擬信號總線必須使用屏蔽電纜。微型數(shù)據(jù)采集器應(yīng)選用帶多量程選擇和程控放大的型號，以適應(yīng)各種傳感器輸出信號的要求。本系統(tǒng)也可以用來遠(yuǎn)程控制繼電器和電機(jī)等，此時(shí)利用微型數(shù)據(jù)采集器的D/A轉(zhuǎn)換功能。比如第m個(gè)單片機(jī)的第n個(gè)通道接的是一個(gè)固態(tài)繼電器，首先PC通過串行口發(fā)出地址信號選中該通道，然后PC通過微型數(shù)據(jù)采集器向該通道發(fā)出開或關(guān)的控制信號（經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)PC所配的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器和微型數(shù)據(jù)采集器都已有市售的產(chǎn)品，價(jià)格也較低。從機(jī)單片機(jī)及其外圍電路的組成見圖2。RS-485數(shù)字信號總線經(jīng)過MAX485芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平的RS-232信號以便與AT89C2051的串行口相配。AT89C2051的P1.0～P1.3分別接到兩片CD4067（16選1多路開關(guān)）的地址選擇端A0～A3。這樣當(dāng)P1.0～P1.3輸出某個(gè)通道號（比如A3A2A1A0=0001）時(shí)，CH1的正端CH1+（即X1端）和CH-（即Y1端）同時(shí)選通。選用雙端信號方式而不用單端信號方式（此時(shí)所有通道負(fù)端全部共地）的好處在于各個(gè)通道可以相互獨(dú)立的輸出信號或接收控制信號，因而各通道所接的傳感器可以公用一個(gè)電源。兩片CD4067的公共端X和Y分別接到模擬信號總線的正端和負(fù)端，整個(gè)從機(jī)電路用單5V電源供電，功耗大約100mW。

圖2 從機(jī)單片機(jī)及其外圍電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)PC與各從機(jī)的通信以單片機(jī)的串行通信方式3進(jìn)行通信。方式3為波特率可變的9位數(shù)據(jù)（除1位起始位“0”和1位停止位“1”之外）異步通信方式，是多機(jī)通信中用得最多的方式。PC與多AT89C2051單片機(jī)的通信軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于對單片機(jī)的串行控制寄存器SCON的正確編程以及對PC串行口接口的靈活使用。

當(dāng)AT89C2051工作在方式3時(shí)，傳送一幀信息共11位：1位起始位（D0=0），8位數(shù)據(jù)位（D1～D8），1位可編程位（D9）和1位停止位（D10）。其中附加的第9位D9作為“地址幀”和“數(shù)據(jù)幀”的識別標(biāo)志位。此位數(shù)據(jù)在發(fā)送端由串行控制寄存器的TB8位產(chǎn)生，在接收端由自動傳送到SCON的RB8位中。如果D9=TB8=1，則說明此幀信息為地址，否則為數(shù)據(jù)。串行控制寄存器SCON中有一位多機(jī)通信控制位SM2，當(dāng)SM2=1時(shí)只接收地址幀，當(dāng)SM2=0時(shí)既可接收地址幀也可接收數(shù)據(jù)幀。

當(dāng)主機(jī)PC與某從機(jī)通信時(shí)，主機(jī)首先發(fā)送命令FFH，使各從機(jī)的SM2全置1。然后發(fā)送該從機(jī)的地址m（00H～FFH），注意地址幀的附加位D9=1，所以此時(shí)所有從機(jī)都進(jìn)行串行中斷響應(yīng)處理（入口地址：0023H）。各從機(jī)中斷響應(yīng)處理為：將接收到的地址號m與自己的編號進(jìn)行比較，如果不相等，則不予理睬，如果相等，則置SM2=0，并且等待繼續(xù)接收將要選通的通道號n（0H～FH），再將n送到P3口。最后主機(jī)發(fā)送通道號n，由于n作為數(shù)據(jù)幀所以此時(shí)置D9=TB8=0。由于此時(shí)只有編號為m的從機(jī)的SM2=0，所以m號從機(jī)的n號通道選通。任何時(shí)候只能選通某一個(gè)從機(jī)的某一個(gè)通道。

對主機(jī)PC串行口的編程不僅要選擇相同的波特率，而且要對通信線路控制器LCR進(jìn)行巧妙地設(shè)置，為了與單片機(jī)的方式3相匹配，對LCR的設(shè)置為：8位數(shù)字長、允許奇偶校驗(yàn)、1位停止位。注意信號的奇偶校驗(yàn)位D9不能設(shè)置為固定的0或1，所以必須靈活選擇奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)以便設(shè)置D9為0或1。當(dāng)發(fā)送地址幀時(shí)，需要D9為1，所以如果此時(shí)的地址的二進(jìn)制碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則選擇偶校驗(yàn)，若為偶數(shù)，則選擇奇校驗(yàn)。而發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，選擇正好相反。