基于RS-485協(xié)議設計智能數(shù)據(jù)采集網絡儀表

在由以單片機為核心構成的儀器儀表、智能設備等諸多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往需要實現(xiàn)計算機與單片機之間的數(shù)據(jù)交換，這也就是單片機與計算機之間的通信，以此來充分發(fā)揮單片機與計算機各自的長處，提升整個應用系統(tǒng)性能及性價比。傳統(tǒng)的基于RS-232協(xié)議的通信由于傳輸距離短、速度慢、信號易受干擾等不足，使得其應用局限性日益突出。有鑒于此，作者在文中討論了如何基于RS-485通信協(xié)議，構建RS-485通信網絡，實現(xiàn)若干單片機與計算機之間遠程通信。

二、硬件設計

1.RS-485通信簡介

RS-485是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）制定的平衡發(fā)送、平衡接收的標準異步串行總線，它具有傳輸距離遠、靈敏度高、多點通信能力強等優(yōu)點。RS-485接口標準參見表一。

2.MAX485芯片介紹

RS-485轉換接口芯片我們采用MAXIM公司的MAX485（見圖一），該芯片采用單電源+5V工作，額定電流300uA，半雙工通信方式，它完成將TTL電平轉換成

RS-485電平。該芯片具有8條引腳，內部含2個驅動器和接收器，RO，DI分別為接收器的輸出端和驅動器的輸入端，二者分別接單片機TXD和RXD。/RE和DE分別為接收和發(fā)送使能端，當/RE=0時，MAX485處于接收狀態(tài)；當DE=1時，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)。因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以它與單片機連接時接線非常簡單，只需用單片機一個管腳控制這兩個引腳即可。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當VA大于VB時，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“1”，當VA小于VB時，表示發(fā)送數(shù)據(jù)為“0”，工作時，A、B之間應加匹配電阻，一般可選100～120歐。

．電平轉換接口

在PHILIPSP89C51RD2單片機與計算機進行通信時，必須對電平作一轉換。因為單片機與計算機之間是RS-485網絡，單片機側信號經MAX485后，從TTL電平轉換為RS-485電平信號，因此，在計算機側必須再把RS-485信號轉換成RS-232電平信號，這樣，二者才能正確通信。在本系統(tǒng)采用DAC-8520轉換器，把RS485信號轉換為RS-232信號，該轉換器數(shù)據(jù)轉換傳輸速度快，且不需要用戶對其進行初始化和參數(shù)修改。

表一RS-485接口標準

4．計算機端接口

計算機采用可編程串行異步通信控制器8251A來實現(xiàn)，通過對8251A初始化可以控制串行數(shù)據(jù)傳送格式和速度及其工作方式，使得它與單片機的通信方式一致，從而實現(xiàn)計算機與單片機之間的通信。

三、多點通信

3．1多點通信原理

RS485總線標準是在RS-422基礎上發(fā)展起來的，它增加了多點雙向通信能力，使分布式網絡的多點通信得以實現(xiàn)。我們在了解了器件的驅動能力后，就可以根據(jù)需要和驅動能力加入需要的節(jié)點。本系統(tǒng)就是利用一臺計算機控制多達32塊單片機，計算機通過發(fā)送控制字和工作方式字來確定和所需要的單片機建立通信連接。單片機根據(jù)計算機發(fā)送的指令進行數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)需要與計算機交換數(shù)據(jù)或對生產過程參數(shù)及所連設備狀態(tài)進行調整。計算機對單片機傳回的數(shù)據(jù)進行分析與計算后，再將相關控制信息傳給單片機。

51系列單片機用于多點通信時必須工作在方式2或方式3。以方式3為例，每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)為11位：1位起始位（0），8位數(shù)據(jù)位和1位停止位（1），附加的第9位數(shù)據(jù)在非多點通信系統(tǒng)中為奇偶校驗位，在發(fā)送端有SCON的TB8產生，在接收端傳送到RB8。它還可設定為“0”或“1”作為在多點通信中區(qū)分數(shù)據(jù)幀（0標志）還是地址幀（1標志）的標志。在51系列單片機多點通信系統(tǒng)中有以下通信協(xié)議：所有的各從機均處于聽命狀態(tài)，即SM2=1，以便接收主機發(fā)送來的地址，當接收到一幀信息的RB8為“1”時，表示主機發(fā)送來的是地址信息，所有的從機均發(fā)生接收中斷，否則中斷屏蔽。當一從機進入相應的中斷服務程序，把接收到的地址和本機的地址比較，如果符合就令其SM2=0，并向主機發(fā)回本機地址以作應答，該從機就與主機連通，準備接收主機發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)信息，而其他的未被尋址的從機保持SM2=1并退出各自的中斷服務程序。這樣，只有SM2=0的從機才能接收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，順利實現(xiàn)地址幀和數(shù)據(jù)幀的分離。被尋址的從機在通信完成后重新使SM2=1，并退出中斷服務程序，等待下次通信。

3．2多點通信協(xié)議

實現(xiàn)計算機和單片機的正常通信，必須正確設置它們兩者之間的工作方式，保證雙方都用相同的波特率、起始位、停止位、奇偶校驗位，并且要建立雙方通信的應答信號。

單片機既可以工作在同步移位寄存器方式，也可工作在UART（通用異步收發(fā)器）下。串行口的通信方式是由特殊功能寄存器SCON來控制的。其各位定義如下：

SM0，SM1：工作模式設定位；SM2：允許使用方式2、3多機通信控制位；RB8：接收數(shù)據(jù)第9位；TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)第9位；TI發(fā)送中斷標志；RI：接收中斷標志。本文中工作方式為方式3，即9位UART定時器T1作為波特率發(fā)生器，工作在方式2，若選定波特率為9600bps，則記數(shù)初值為0FAH（SMOD=0，時鐘頻率Fosc為11.0592MHz）

計算機的異步通信接口為INTEL8251A，它可設定1位、1.5位或2位停止位，數(shù)據(jù)可在5到8位之間選擇，通信頻率為0到9600bps，有奇偶校驗、幀校驗、溢出校驗三種方式?？赏ㄟ^對它寫入一定的方式控制字、命令控制字從而進行初始化。它的工作狀態(tài)寄存于狀態(tài)寄存器中，可由P89C51RD2的CPU讀取。通信協(xié)議如下：（1）串行通信波特率為9600bps；（2）幀格式為8位數(shù)據(jù)位，一位起始位，一位可編程的第9位（即發(fā)送和接收的地址/數(shù)據(jù)位的標志位），一位停止位；（3）主機和從機遵循主從原則，主機用呼叫方式選擇從機，數(shù)據(jù)在主機和從機之間雙向傳遞，各從機之間的相互通信需通過主機作為中介；（4）主從機之間還應傳送一些供它們識別的命令和狀態(tài)字，如以00H表示主機發(fā)送從機接收命令，以01H表示從機發(fā)送主機接收命令等。

四、軟件設計

該部分主要包括主機程序、從機和其中斷服務程序組成。主機程序主要完成對串口初始化以及主機與從機之間的通信。而從機主程序主要完成對串口的初始化、波特率的設置（應與主機端的波特率一致），它的中斷程序主要完成P89C51RD2與計算機的數(shù)據(jù)通信。

1．單片機部分

單片機端程序在KEIL公司提供的優(yōu)秀可視化集成開發(fā)環(huán)境uVISION2中用C語言編寫。通信波特率9600bps，晶振11.0592Mhz。需要注意的是PHILIPSP89C51RD2的1個機器周期為6個時鐘周期，與標準8051單片機1個機器周期為12個時鐘周期不同，因此，在相關參數(shù)設置時要注意這一差別，否則，無法正確建立通信連接。為配合多機通信方式，我們采用工作方式3.

單片機通信流程圖如圖二所示。

單片機串口初始化程序如下：

main（）

｛TMOD=0x20;

/＊定時器1方式2＊/

TH1=0xfa;

/＊9600波特率晶振11.0592MHz＊/

TCON=0x40;

/＊啟動定時器1＊/

SCON=0x50;

/＊允許接收＊/

IE=0x90;

/＊允許串行口中斷＊/

………..

2．計算機部分

計算機端程序我們采用優(yōu)秀的可視化軟件VisualBasic編寫，其中關鍵部分是引用VisualBasic的串行通信控件MSComm，發(fā)送和接收完全由該控件管理實現(xiàn)，而不需要以往繁瑣的驅動程序編寫。這無疑大大提高了工作效率，降低了開發(fā)成本。

計算機通信流程如圖三所示。

下面給出用VB6編制的通信程序：

Dim　inbyte（）ASByte’定義動態(tài)字節(jié)型數(shù)組

PrivateSubtxd_click（）’通信建立及數(shù)據(jù)發(fā)送控制按鈕

IfMSComm1.PortOpen=TrueThenGoTojj

如通信端口開則跳至jj

MSComm1.CommPort=1

’通信端口為COM1

MSComm1.Settings="9600,n,8,1"

’串口初始化為9600波特，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗

MSComm1.PortOpen=True

’打開通信端口

jj:Mscomm1.output=Text1.text

’發(fā)送地址碼

………..

Mscomm1.output=text2.text’發(fā)送工作方式控制字，采集通道以及校驗碼

EndSub

PrivateSubrxd_click（）’數(shù)據(jù)接收按鈕

Inbyte（）=Mscomm1.input’接收的數(shù)據(jù)存于動態(tài)字節(jié)數(shù)組

…….’省略數(shù)據(jù)處理部分

EndSub

五、結束語

利用RS-485串行通信，可以保證快速、穩(wěn)定、遠距離傳送數(shù)據(jù)。本文設計的系統(tǒng)已在智能數(shù)據(jù)采集網絡儀表中得到成功應用，其通信設計方法還可以稍加修改即可移植到其他的工業(yè)測控系統(tǒng)中。由于本文設計方法開發(fā)成本低，設計簡單，在目前及以后的工業(yè)控制和其他方面必將得到越來越多的應用。