基于RS-485總線的PC與多單片機(jī)間的串行通信

0 前言

1 通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

盡管RS-232有些缺點(diǎn),但在兩臺(tái)短距離設(shè)備間的短距離信息傳輸時(shí)，最通用的還是RS-232。但對(duì)于多臺(tái)設(shè)備的長(zhǎng)距離傳輸，它就很難實(shí)現(xiàn)。而 RS-485是一個(gè)多引出線接口，這個(gè)接口可以有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PC和多臺(tái)單片機(jī)之間的串行通信；而且RS-485的最長(zhǎng)的傳輸距離為 1200m,適合中距離的傳輸。本文針對(duì)油田鉆井的滾動(dòng)軸承信號(hào)采集及傳輸，根據(jù)工地實(shí)際工作環(huán)境，采用RS-485通信接口。

1.1 PC和RS-485總線的接口[3]

該接口的主要功能是完成RS-232到RS-485的轉(zhuǎn)變，完成這個(gè)功能的芯片很多，比如MAX-485,我們的系統(tǒng)采用的是ADAM公司的ADAM4250,RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器,結(jié)構(gòu)如圖（1）所示:

圖1 ADAM4250

1.2 89c51和RS-485總線的接口[1],[4]

由于MAX48x/49x系列收發(fā)器組成的差分平衡系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，接收器可檢測(cè)到200mV的信號(hào)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以在千米以外得到恢復(fù)，特別適合遠(yuǎn)距離通信，可以組成標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用MAX487接口芯片作為收發(fā)器，由于它的輸入阻抗是標(biāo)準(zhǔn)接收器的4倍，因此最多可以掛128個(gè)接收器。

1.3 系統(tǒng)的總體連接

本系統(tǒng)采用一主多從的總線型連接方式，如圖2所示。為了消除反射，吸收噪音，采用2個(gè)120 的匹配電阻R1和R2連在總線的兩端。其中n不大于128。

圖2 系統(tǒng)總體連接圖

2 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

由于RS-485通信是一種半雙工通信，發(fā)送和接受共用同一物理通道，在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單片機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，因此要求應(yīng)答的單片機(jī)必須在偵聽(tīng)到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且在沒(méi)有其他單片機(jī)應(yīng)答信號(hào)的情況下才能應(yīng)答。如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通信癱瘓，無(wú)法正常工作。上位機(jī)與下位機(jī)之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，怎么提高通信的效率和可靠性，以及對(duì)通信過(guò)程中的故障處理，幀格式的約定，都需要一套詳盡的通信協(xié)議。RS- 485總線只制定了物理層電氣標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上層通信協(xié)議沒(méi)有規(guī)定。這給設(shè)計(jì)者提供了很大的靈活性。一套完整的通信協(xié)議既要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完備，又要求具有可擴(kuò)充性與兼容性，并且盡量標(biāo)準(zhǔn)化。本系統(tǒng)的協(xié)議就是從這幾個(gè)方面考慮的，它主要包括以下幾個(gè)部分：

2.1 上下位機(jī)間的通信過(guò)程

（1）通信均有上位機(jī)發(fā)起，下位機(jī)不主動(dòng)申請(qǐng)通信；

（2）當(dāng)處于輪詢狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)依據(jù)下位機(jī)地址，定時(shí)向下位機(jī)發(fā)送呼叫指令。此時(shí)，每臺(tái)下位機(jī)都中斷接受并判斷，地址不相符的下位機(jī)中斷返回，執(zhí)行其他下位機(jī)任務(wù)；反之則把本機(jī)地址及其狀態(tài)作為應(yīng)答信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)后，可以作進(jìn)一步的處理。

2.2 通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用比較簡(jiǎn)單的通信協(xié)議：PC機(jī)需要與單片機(jī)通信時(shí)，首先發(fā)送一個(gè)字節(jié)的信號(hào)，以16進(jìn)制表示為AAH,單片機(jī)接收到AAH后，就將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)連續(xù)地向PC機(jī)發(fā)送；PC機(jī)與單片機(jī)通信結(jié)束時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的信號(hào)，以16進(jìn)制表示為55H，結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送。單片機(jī)發(fā)送給PC機(jī)的數(shù)據(jù)格式為：

3 通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件用VB6.0實(shí)現(xiàn)，利用VB6.0提供的MSComm通信控件，可以方便的訪問(wèn)串口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。由于本系統(tǒng)用一臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控多臺(tái)下位機(jī)，所以上位機(jī)監(jiān)控界面主要包括3個(gè)：

（1）輪詢界面，即主監(jiān)控界面?？梢员O(jiān)測(cè)到下位機(jī)的狀態(tài)（運(yùn)行，停機(jī)，故障）。考慮到通用型，下位機(jī)的臺(tái)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要添加或刪除，最多可帶128臺(tái)下位機(jī)。本系統(tǒng)默認(rèn)為50臺(tái)。

（2）下位機(jī)運(yùn)行監(jiān)視和控制界面。主要是對(duì)某一臺(tái)定位控制器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和位置給定。

（3）下位機(jī)內(nèi)部參數(shù)設(shè)定界面?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要對(duì)某一臺(tái)定位控制器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。

開(kāi)發(fā)通信程序的關(guān)鍵是發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。下面給出上位機(jī)中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的部分程序：

MSComml.Settings=Settings ; 串口的波特率設(shè)置

send_arr0(0)=H02 ; 數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)組

send_arr1(0)=BPQ_Address

……

send_arr7(0)=send_arr1(0)Xor send_arr2(0)…Xor send_arr6(6)

Output_Enable=False ; 關(guān)閉輪詢

Open_Port ; 開(kāi)串口

MSComm1.RTSEnable=False ; 置發(fā)送狀態(tài)

MSComm1.Output=send_arr0 ; 發(fā)送

Choose_Delay ; 發(fā)送延時(shí)

MSComm1.Output=send_arr1

Choose_Delay

……

MSComm1.Output=sen_arr7

Choose_Delay

MSComm1.RTSEnable=True ; 置接收狀態(tài)

Choose_Frame_delay ; 接收延時(shí)

Accept_arr=MSComm1.Input ; 數(shù)據(jù)接收數(shù)組

For j=Lbound(Accept_arr)To Ubound(Accept_arr)

If Ubound(Accept_arr)=7 Then

Buf(j)=buf(j)+Str(Accept_arr(j))

由于程序較長(zhǎng)，對(duì)程序其它部分不詳細(xì)敘述，這里只列幾個(gè)注意點(diǎn)：

(1)由于采用半雙工傳輸方式，開(kāi)始發(fā)送前要禁止接受。發(fā)送結(jié)束后要先關(guān)閉發(fā)送再開(kāi)啟接收，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

(2)發(fā)送以字節(jié)為單位，每個(gè)字節(jié)間要考慮延時(shí)，以免因溢出而丟失數(shù)據(jù)。延時(shí)時(shí)間主要取決于傳輸時(shí)所確定的波特率。

(3)接收數(shù)據(jù)也要考慮延時(shí)，以等待下位機(jī)將一個(gè)單位的數(shù)據(jù)全部發(fā)給上位機(jī)。

3.2 下位機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)[2]

本系統(tǒng)中的單片機(jī)采用的是ATMEL公司89C51，這是在國(guó)內(nèi)應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一款單片機(jī)，程序用C51來(lái)編寫，從實(shí)時(shí)性角度來(lái)考慮，下位機(jī)的通信方式采用中斷方式。這樣下位機(jī)程序就包括了下位機(jī)主程序和下位機(jī)中斷服務(wù)程序。主程序用于定時(shí)器T1初始化、串行口初始化和中斷初始化。中斷服務(wù)程序用于對(duì)上位機(jī)的通信。主程序和中斷服務(wù)程序的框圖如圖3、圖4所示。由于篇幅所限，程序這里就不做介紹。

圖（3） 下位機(jī)主程序框圖

圖（4）下位機(jī)中斷服務(wù)程序框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于油田鉆井滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PC與多單片機(jī)之間的串行通信實(shí)現(xiàn)測(cè)控，采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)，半雙工傳輸方式。上位機(jī)采用Windows環(huán)境下VB6.0開(kāi)發(fā)，編程簡(jiǎn)單，界面良好，維護(hù)方便；下位機(jī)利用單片機(jī)內(nèi)自帶的USART通信接口，很好的實(shí)現(xiàn)異步串行通信。實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)于工作環(huán)境比較惡劣的鉆井油田滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)的采集與傳輸，達(dá)到了實(shí)際要求，為滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)提供了方便而有效的振動(dòng)信號(hào)。

基金號(hào)：江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（03KJB510025）

1 范逸之，陳立元 Visual Basic與RS-232串行通信控制 北京：中國(guó)青年出版社 2002

2 石東海 單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通 西安：西安電子出版社 2002

3 ADAM 4000 Data Acquisition Modules User’s Manual Advantech Co.Ltd 1999