基于RS 485單片機(jī)多機(jī)串行通信的電子開關(guān)設(shè)計

摘要：針對大中型傳送帶傳送過程中位置跑偏的檢測，設(shè)計了基于RS 485單片機(jī)多機(jī)串行通信的電子開關(guān)。介紹了該電子開關(guān)的總體方案及硬件電路設(shè)計，該電子開關(guān)采用RS 485通信，不僅抗干擾能力好，并能夠?qū)崿F(xiàn)長距離通信且可以避免多個從機(jī)同時與主機(jī)通信時產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的問題。實(shí)驗表明，該電子開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于工業(yè)控制、檢測等領(lǐng)域中。
關(guān)鍵詞：RS 485；單片機(jī)；串行通信；電子開關(guān)

0 引言
目前多機(jī)串行通信是通信控制領(lǐng)域的主流通信方式，數(shù)據(jù)通信、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)及其測控領(lǐng)域中，經(jīng)常采用串行通信來達(dá)到信息交換的目的。多機(jī)串行通信控制網(wǎng)絡(luò)是物理層采用RS 485通信接口所組成的多機(jī)串行通信工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，RS 485既是物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也是串行通信接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個控制網(wǎng)絡(luò)。RS 485通信方式有很多優(yōu)點(diǎn)，首先它的通信距離比較遠(yuǎn)，通常可以做到數(shù)百米甚至千米以上，而且還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信方式，從而可以建立一個小范圍內(nèi)的局域網(wǎng)，因而更有實(shí)用價值。RS 485采用差模信號傳輸方式，與地電平關(guān)系不大，因而它抗干擾的能力比較好，即便在信號電壓比較小的情況下也能獲得穩(wěn)定的傳輸。

1 總體方案及硬件設(shè)計
該電子開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計要求主機(jī)能夠與從機(jī)之間進(jìn)行地址確認(rèn)并相互通信，從機(jī)能夠準(zhǔn)確檢測到被測信號，主機(jī)能夠接收從機(jī)傳來的數(shù)據(jù)信號，并通過液晶顯示器和發(fā)光二極管顯示，同時采用RS 485總線主從機(jī)可以實(shí)現(xiàn)長距離通信。主從機(jī)采用的主要核心芯片均為單片機(jī)，考慮單片機(jī)性能及實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的需要，選用AT89S51單片機(jī)，串行通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)主機(jī)使用主要器件：AT89S51 MAX4851602LCD LED RESISTORS CAP CRYSTAL；
(2)從機(jī)使用主要器件：AT89S51 MAX485 RESISTORS CAP CRYSTAL
主機(jī)主要功能：
(1)與從機(jī)之間進(jìn)行地址確認(rèn)。
(2)查詢從機(jī)是否有信號(從機(jī)檢測被測量時產(chǎn)生的相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號)發(fā)送到主機(jī)。
(3)通過液晶顯示發(fā)送信號的從機(jī)地址，同時可以通過發(fā)光二極管顯示信號的級別(這里兩個發(fā)光二極管分別代表兩個行程開關(guān)的亮滅)。
從機(jī)主要功能：
(1)與主機(jī)之間進(jìn)行地址確認(rèn)。
(2)檢測被測量，并將被測信號數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。
主機(jī)主要有兩大功能模塊：液晶顯示模塊用來顯示從機(jī)地址編號，所使用的器件為1602LCD，RS 485串行通信模塊用來實(shí)現(xiàn)與從機(jī)之間的遠(yuǎn)距離串行通信，使用MAX485芯片來實(shí)現(xiàn)。
從機(jī)的主要功能模塊為RS 485串行通信模塊用來完成與主機(jī)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2 設(shè)計實(shí)現(xiàn)原理
主從機(jī)均采用的是AT89S51單片機(jī)，它是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4 KB的可反復(fù)擦寫1 000次的FLASH只讀程序存儲器。單片機(jī)的XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。本電子開關(guān)設(shè)計外接12MHz晶振。
主從機(jī)均使用單片機(jī)2個全雙工串行通信口外接MAX485芯片來完成與從機(jī)之間的串行通信，由串行口控制寄存器SCON設(shè)置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等。P3．0／RXD為串行通信接收端，P3．1／TXD為串行通信發(fā)送端。
主機(jī)端口P0．0～P0．7作為液晶顯示器的數(shù)據(jù)線，P0口上拉10 kΩ電阻與1602液晶的D0～D7數(shù)據(jù)端相連，P3．7與使能端E相連，P3．6與讀／寫信號線RW相連，P3．5與寄存器選擇端RS相連。P1．0和P1．1引腳接兩個發(fā)光二極管，用來顯示從機(jī)發(fā)送信號的級別。
從機(jī)P1．0和P1．1引腳分別接到一級行程開關(guān)和二級行程開關(guān)，用來檢測兩個開關(guān)的狀態(tài)，最終由從機(jī)P1．0和P1．1這兩個引腳將行程開關(guān)的狀態(tài)發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)讀取狀態(tài)值并且顯示。
主機(jī)通過輪詢的方式，當(dāng)主機(jī)查詢n號從機(jī)時，與n號從機(jī)進(jìn)行地址確認(rèn)，并判斷n號從機(jī)是否有信號產(chǎn)生，如果沒有，主機(jī)將查詢n-1號從機(jī)，如果有信號產(chǎn)生，主機(jī)接收到信號并存儲該從機(jī)的主機(jī)編號，分別通過發(fā)光二極管和液晶顯示出來，如果n-1號從機(jī)繼續(xù)有信號產(chǎn)生，主機(jī)繼續(xù)接收，直到接收完畢，主機(jī)將查詢n-2號從機(jī)，如此往復(fù)。從機(jī)的個數(shù)可以在主機(jī)程序中對從機(jī)個數(shù)n值進(jìn)行設(shè)定。
2．1 多機(jī)串行通信及通信協(xié)議
電子開關(guān)的設(shè)計核心主要通過單片機(jī)的多機(jī)串行通信來實(shí)現(xiàn)。
2．1．1 發(fā)送器和接收器
AT89S51串行口主要由發(fā)送器、接收器和串行控制寄存器組成。發(fā)送器主要由發(fā)送緩沖寄存器SBUF和發(fā)送控制器組成。接收器主要由接收緩沖寄存器SBUF，接收移位寄存器和接收控制器組成。
2．1．2 串行口控制寄存器
串行口控制寄存器SCON用于設(shè)置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等。它是一個既可字節(jié)尋址又可位尋址的特殊功能寄存器?？刂萍拇嫫鱏CON的格式如下：

電子開關(guān)中單片機(jī)串行口控制寄存器SCON各位設(shè)置如下：
主機(jī)SCON設(shè)置：1 0 0 1 1 0 0 0 =#98H
從機(jī)SCON設(shè)置：1 0 1 1 0 0 0 0 =#0B0H
2．1．3 工作方式的選擇
本電子開關(guān)單片機(jī)串行通信工作方式選擇為工作方式2，在方式2下，串行口工作在11位異步通信方式。一幀信息包含一個起始位“0”，八個數(shù)據(jù)位，一個可編程第九數(shù)據(jù)位和一個停止位“1”。其中可編程位是SCON中的TB8位，在八個數(shù)據(jù)位之后，可作奇偶校驗位或地址／數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位使用，由使用者確定。
波特率的選擇：方式2的波特率是固定的。
若PCON中SMOD=0，速率=fosc／32
若PCON中SMOD=1，速率=fosc／64
該設(shè)計中：波特率為9 600 b／s。
2．1．4 實(shí)現(xiàn)原理及流程
多機(jī)通信主要靠主、從機(jī)之間正確地設(shè)置與判斷多機(jī)通信控制位SM2和發(fā)送或接收的第9數(shù)據(jù)位(D8)。
電子開關(guān)多機(jī)串行通信的實(shí)現(xiàn)流程：
(1)主從機(jī)均初始化工作方式2，主機(jī)置SM2=0，允許中斷，從機(jī)置SM2=1，REN=1。
(2)主機(jī)置REN=1，TB8=1，將地址信息發(fā)送給從機(jī)，并等待是否發(fā)送完畢，從機(jī)等待主機(jī)發(fā)送地址。
(3)從機(jī)接收到地址與本機(jī)地址核對，核對正確，置SM2=0，向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答地址并等待發(fā)送完畢，主機(jī)接收之后進(jìn)行地址確認(rèn)，并置TB8=0。
(4)從機(jī)地址發(fā)送完畢后，接著發(fā)送信號數(shù)據(jù)并等待發(fā)送完畢。
(5)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)將從機(jī)編號發(fā)送到液晶顯示，將信號數(shù)據(jù)發(fā)到發(fā)光二極管顯示信號級別。