基于89C2051單片機(jī)的熱表通訊模塊的開發(fā)

1 　引言
集中供熱方式的普及以及計(jì)量供熱的實(shí)施是建筑節(jié)能的有效手段,但需要通過(guò)供熱系統(tǒng)運(yùn)行管理的自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了研究熱網(wǎng)的控制調(diào)節(jié)方法,建立了熱網(wǎng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并且配置了自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。在設(shè)備選型時(shí),采用了丹麥Kamstrup 熱量表作為實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)中各主要管段輸送熱量及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熱量的測(cè)量采集裝置,但該熱表配備的數(shù)據(jù)通訊接口模塊只能通過(guò)專用外接插口與計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的數(shù)據(jù)終端進(jìn)行一對(duì)一的RS - 232 串行通訊,難以滿足現(xiàn)場(chǎng)的通訊要求。

2 　通訊模塊的核心器件
在系統(tǒng)中,單片機(jī)一般稱為下位機(jī),通常用來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集和上傳,由PC 機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成的后臺(tái)應(yīng)用部分則統(tǒng)稱為上位機(jī),對(duì)下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并處理。系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機(jī)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和微機(jī)對(duì)圖形處理、顯示以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理上的優(yōu)勢(shì),使得單片機(jī)的應(yīng)用不局限于自動(dòng)監(jiān)測(cè)或控制,而形成了向以網(wǎng)絡(luò)為核心的分布式多點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)展。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中,選用單片機(jī)同工控機(jī)配合建立了如圖1 所示的通訊網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)熱表采集數(shù)據(jù)的讀取。

圖1 　工控機(jī)、熱表通訊網(wǎng)絡(luò)
RS - 485 通訊標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)RS - 232 存在的通訊距離近、抗干擾性能差等缺陷在提高傳輸速率和距離、抗干擾特性上都做了很大改進(jìn)。所以考慮到通訊的可靠性,為工控機(jī)選配了RS - 485 的串口卡建立通訊。
單片機(jī)數(shù)字信號(hào)遵循CMOS 電平協(xié)議,傳輸距離短,達(dá)不到分布式控制系統(tǒng)傳輸距離的要求,需要電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成接口電路與上位機(jī)連接。同時(shí),單片機(jī)與熱表連接時(shí)也要通過(guò)相應(yīng)的接口電路達(dá)到電平的匹配。
另外,單片機(jī)是工控機(jī)與熱表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通訊樞紐,擔(dān)負(fù)著同時(shí)與工控機(jī)和熱表進(jìn)行串行通訊的責(zé)任,因此需要兩個(gè)串行通訊端口。有3 種方法供選擇:

1. 采用多串口的單片機(jī);
2. 采用通用異步串口擴(kuò)展芯片;
3. 采用普通I/ O 端口模擬實(shí)現(xiàn)串行通信。

第3 種方法最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),并且可以實(shí)現(xiàn)高速率通信。另外,考慮到對(duì)硬件資源的充分利用,選用ATMEL 公司生產(chǎn)的89C2051 單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)。

3 　通信模塊的開發(fā)
3.1 　硬件接口
理論上,利用軟件的方法可使普通I/ O 口擴(kuò)展成的串行口與標(biāo)準(zhǔn)的串行口具有同樣的功能。但是,根據(jù)實(shí)際情況,單片機(jī)自帶的串行口容易通過(guò)專用的電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)RS - 485 電平與上位機(jī)連接;熱表數(shù)據(jù)通訊接口對(duì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)有不同的波特率要求,在模擬串口的程序中只要作相應(yīng)的延時(shí)處理,就能滿足。因此,用標(biāo)準(zhǔn)串口通過(guò)電平轉(zhuǎn)換連接上位機(jī)(見圖2) ,用普通I/ O 口模擬的串口經(jīng)相應(yīng)的接口電路與熱表相連(見圖3) 。

圖2 　RS - 485 電平轉(zhuǎn)換
圖2 中單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串口通過(guò)75176 芯片轉(zhuǎn)換為RS - 485 電平,75176 為8 個(gè)管腳,DIP 封裝。RO 為數(shù)據(jù)接收端;RE 為數(shù)據(jù)接收允許端,低電平有效;DI 為數(shù)據(jù)發(fā)送端;DE 為數(shù)據(jù)發(fā)送允許端,高電平有效;DT+ 、DT - 腳為電流環(huán)回路端。圖2 中把RE、DE 腳連結(jié)在一起,當(dāng)P3. 7 腳為高電平時(shí),允許數(shù)據(jù)發(fā)送,當(dāng)P3. 7 為低電平時(shí),允許數(shù)據(jù)接收。R 為電路匹配電阻,可增強(qiáng)系統(tǒng)抗差模干擾的能力。

圖3 　單片機(jī)與熱表接口電路
　圖3 中虛線框內(nèi)為熱表本身的數(shù)據(jù)通訊接口電路,熱表通過(guò)該接口連接專用的外接插頭可以同計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的數(shù)據(jù)終端進(jìn)行RS - 232 通訊。利用示波器檢測(cè)熱表在與計(jì)算機(jī)一對(duì)一的通訊過(guò)程中收發(fā)端的電平信號(hào)特征,采用分立元器件搭建了接口電路,使之與單片機(jī)端口達(dá)到電平的匹配。在單片機(jī)同熱表的通訊過(guò)程中,為保證通訊的可靠且能保證單片機(jī)及時(shí)地接收熱表傳來(lái)的數(shù)據(jù),采用中斷的接收方式,P3. 2 為中斷觸發(fā)端,所以選用該端口作為模擬串口的接收端,選用了P3. 4 作為模擬串口的發(fā)送端。