C8051F020單片機(jī)的RS485串行通信設(shè)計(jì)

　　l 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，在以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，并以此來(lái)發(fā)揮單片機(jī)和計(jì)算機(jī)各自的長(zhǎng)處，提升整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比。

　　在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要采用串行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。目前，有多種接口標(biāo)準(zhǔn)可用于串行通信，包括RS232、RS422、RS485等。RS232是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應(yīng)用。但是，RS232通信存在著傳輸速度慢、傳輸距離短、信號(hào)容易受到干擾等不足，其應(yīng)用局限性已日益突出。而RS485通信采用差分方式來(lái)消除噪聲，即信號(hào)在發(fā)送前會(huì)分解為正負(fù)2條線路，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端時(shí)將信號(hào)相減，使噪聲相互抵消，還原成原來(lái)的信號(hào)，這種方式對(duì)共模干擾抑制能力較強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。

　　要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的RS485通信，一般可以采用2種方法：一種方法是在單片機(jī)與計(jì)算機(jī)兩端分別采用RS232與RS485電平轉(zhuǎn)換裝置;另一種方法是采用RS485通信卡，并將其插在計(jì)算機(jī)主板上。采用前一種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件裝置安裝簡(jiǎn)便，軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是通信速率被限制在20 kb/s以內(nèi)。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是通信距離較遠(yuǎn)，速率較高，可達(dá)10 Mb/s;缺點(diǎn)是需要安裝通訊卡和驅(qū)動(dòng)程序，并進(jìn)行必要的設(shè)置。本文采用第二種方法。

　　2 總體架構(gòu)

　　在某型電子設(shè)備研制中，選用美國(guó)Cygnal公司生產(chǎn)的一種soc型8位單片機(jī)C8051F020,對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該單片機(jī)是C8051F系列的F02X子系列，其性價(jià)比在工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP一51內(nèi)核，對(duì)于熟悉51單片機(jī)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在硬件設(shè)計(jì)及軟件編程上大大提高了開發(fā)效率。

　　測(cè)控計(jì)算機(jī)采用研華的IPC-610工控機(jī)，并選用PCL一846B通信卡進(jìn)行RS485串行數(shù)據(jù)通信，該通信卡包含4通道，每個(gè)通道可以對(duì)32個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

　　為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與工控機(jī)之間的RS485串行通信，必須對(duì)單片機(jī)的UART輸出電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足RS485串行通信需求。選用MAX485接口芯片，它是Maxim公司的一種RS485接口芯片，該芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都比較簡(jiǎn)單。

　　該設(shè)計(jì)理論上可以實(shí)現(xiàn)1臺(tái)工控機(jī)(安裝1塊RS485通信卡)對(duì)128臺(tái)單片機(jī)進(jìn)行Rs485串行通信，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　圖1 總體結(jié)構(gòu)

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件簡(jiǎn)介

　　1)C8051F020單片機(jī)

　　C8051F020內(nèi)部有2個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART、SPI總線和SMBus/IC.這些串行總線都用硬件實(shí)現(xiàn)，都能夠向CIP-51內(nèi)核產(chǎn)生中斷，只需要很少的CPU干預(yù);這些串行總線不“共享”定時(shí)器、中斷或I/O端口等資源，因此可以使用任何一個(gè)或者全部同時(shí)使用。

　　2)MAX485芯片

　　MAX485芯片采用+5V電源工作，其額定電流為300“A，它能將UART輸出電平轉(zhuǎn)換為RS485電平。該芯片有8個(gè)引腳，其內(nèi)部含有1個(gè)接收器和1個(gè)驅(qū)動(dòng)器，R0為接收器的輸出端，接單片機(jī)的TXD引腳;DI為驅(qū)動(dòng)器的輸入端，接單片機(jī)的RXD引腳。/RE是接收使能端，當(dāng)/RE=0時(shí)，MAX485芯片處于接收狀態(tài);DE是發(fā)送使能端，當(dāng)DE=1時(shí)，MAX485芯片處于發(fā)送狀態(tài)。

　　MAX485芯片的A端與B端分別為接收與發(fā)送的差分信號(hào)端。當(dāng)VA小于VB時(shí)，表示發(fā)送信號(hào)為”0“;當(dāng)VA大于VB時(shí)，表示發(fā)送信號(hào)為”1“。MAX485芯片工作時(shí)，A、B兩端之間應(yīng)當(dāng)加上匹配電阻尺，一般選用120 Ω;當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以選用300 Ω。

　　3)RS485通信卡

　　Rs485通信卡具有較強(qiáng)的抗干擾能力、較高的通信速率以及較低的價(jià)格，在工業(yè)控制等領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)用性。選用研華的PCL-846B通信卡，該卡支持RS422和RS485 2種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，需要通過(guò)跳線進(jìn)行設(shè)置。另外，在該通信卡的4個(gè)通道上均預(yù)留有焊接終端匹配電阻的焊孔。

　　3.2 電路設(shè)計(jì)

　　采用UART串行總線進(jìn)行通信，因?yàn)閁ART是一種廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、低速率、低成本通信的串行傳輸接口，由于其具有數(shù)據(jù)線少的特點(diǎn)，在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了大量應(yīng)用?；镜腢ART通信只需要兩根數(shù)據(jù)線(RXD、TXD)即可完成數(shù)據(jù)的相互通信，接收和發(fā)送都是全雙工形式，其中RXD是接收端，TXD是發(fā)送端。

　　C8051F020單片機(jī)有2個(gè)UART(UART0和UARTl)，以UART0為例，它的TxD和RXD分別與數(shù)字I/0引腳PO.O和PO.1復(fù)用，通過(guò)交叉開關(guān)配置寄存器進(jìn)行選擇。由于MAX485工作在半雙工狀態(tài)，它與單片機(jī)連接時(shí)的接線比較簡(jiǎn)單，只需要用單片機(jī)某一個(gè)引腳(如PO.2)來(lái)控制RE和DE這2個(gè)引腳。PCL-846B通信卡有4個(gè)通道，選擇通道1與單片機(jī)進(jìn)行通信，另外將通道2和通道4進(jìn)行連接，以自發(fā)自收的方式實(shí)現(xiàn)通信卡的自檢。單片機(jī)與外部電路的連接關(guān)系如圖2所示。

　　圖2 硬件電路原理

　　在使用RS485通信卡進(jìn)行通信時(shí)，當(dāng)信號(hào)傳遞到通信線路兩端時(shí)，如果阻抗不匹配，可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射問(wèn)題。信號(hào)反射會(huì)造成信號(hào)的失真和變形，從而導(dǎo)致通信錯(cuò)誤。其解決方法就是在通信線路的兩端各連接一個(gè)終端匹配電阻，保證阻抗匹配。當(dāng)通信距離較短，一般在小于300 m時(shí)，可不使用終端電阻。當(dāng)通信距離大于300 m時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用終端電阻，其阻值必須與通信線路的線性阻抗相同。電阻值一般選取120 Ω左右，當(dāng)通信距離較長(zhǎng)時(shí)，可以選用300 Ω。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 通信方式

　　C8051F020單片機(jī)的UARTo提供4種工作方式(1種同步方式和3種異步方式)，以方式1為例：方式1提供標(biāo)準(zhǔn)的異步、全雙工通信，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)共包含10位：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位。數(shù)據(jù)從TX引腳發(fā)送，在RX引腳接收。2在多機(jī)通信中，通常選擇方式2和方式3,通過(guò)使用第9數(shù)據(jù)位和內(nèi)置UARTo地址識(shí)別硬件支持一個(gè)主處理器與多個(gè)從處理器之問(wèn)的多機(jī)通信。

　　為了簡(jiǎn)化UART0的使用和軟件編程，選擇方式1進(jìn)行多機(jī)通信，通過(guò)編寫串口中斷程序?qū)νㄐ烹p方進(jìn)行約定。具體做法是：

　　1)約定發(fā)送數(shù)據(jù)的格式，本文約定以”#……*“作為合法的數(shù)據(jù)格式，即以”#“開始和”*“結(jié)束作為判斷數(shù)據(jù)有效性的依據(jù)。

　　2)在”#“和”*“之間的數(shù)據(jù)是需要的，本文約定以第2個(gè)字符(當(dāng)設(shè)備較多時(shí)，可以2個(gè)字符)作為接收設(shè)備的識(shí)別碼，由接收設(shè)備(單片機(jī)或上位機(jī))對(duì)該字符進(jìn)行判斷，確定是否需要接收該數(shù)據(jù)。

　　3)當(dāng)接收設(shè)備需要知道發(fā)送數(shù)據(jù)的來(lái)源時(shí)，也可以約定發(fā)送設(shè)備的識(shí)別碼(由于每臺(tái)設(shè)備既可以是發(fā)送設(shè)備也可以是接收設(shè)備，因此可以約定一個(gè)固定的識(shí)別碼)，在發(fā)送數(shù)據(jù)中插入該識(shí)別碼(插入位置必須事先約定)，即可獲知數(shù)據(jù)的來(lái)源設(shè)備。

　　4.2 串口波特率

　　C8051F020單片機(jī)有5個(gè)16位通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器(T0~T4)和一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)。方式1的波特率是定時(shí)器溢出時(shí)間的函數(shù)，UART0可以使用定時(shí)器1工作在8位自動(dòng)重裝載方式或者定時(shí)器2工作在波特率發(fā)生器方式產(chǎn)生波特率。以定時(shí)器2為例，其波特率的計(jì)算公式是：

　　式中：SySCLK是單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘，RCAP2H和RCAP2L分別為定時(shí)器2的重裝載寄存器的高8位和低8位。

　　波特率根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的實(shí)際需要確定，波特率確定后即可計(jì)算出定時(shí)器2的重裝載寄存器的初始值T2。

　　采用22.1184 MHz晶體振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘，波特率為9600 b/s，計(jì)算得到T2=FFB8H(十六進(jìn)制)。

　　4.3 軟件流程

　　C8051F020單片機(jī)內(nèi)部具有JTAG和調(diào)試電路，可以通過(guò)JTAG接口對(duì)MCU進(jìn)行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，對(duì)軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并利用Silicon Labs IDE集成開發(fā)環(huán)境對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程與調(diào)試。利用C8051F020單片機(jī)的中斷系統(tǒng)，直接采用C語(yǔ)言對(duì)UART中斷服務(wù)程序進(jìn)行編寫。

　　單片機(jī)的串口通信程序可由數(shù)據(jù)發(fā)送和接收2個(gè)模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊首先需要設(shè)置UART為發(fā)送狀態(tài)，清除發(fā)送標(biāo)志后向sBF中寫入數(shù)據(jù)，開始逐個(gè)發(fā)送字符，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，恢復(fù)UART為接收狀態(tài)。數(shù)據(jù)接收模塊清除接收標(biāo)志后讀SBF中的數(shù)據(jù)，開始接收字符，首先判斷接收數(shù)據(jù)是否有效，然后分析處理數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)后，退出接收程序。UART串口發(fā)送和接收模塊的程序流程如圖3所示。

　　圖3 串口通信程序流程

　　5 實(shí)驗(yàn)分析

　　設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某型實(shí)時(shí)測(cè)控裝置研制中，該測(cè)控裝置含有2個(gè)單片機(jī)，其主控上位機(jī)安裝有l(wèi)塊RS485通信卡。具體驗(yàn)證過(guò)程是：將1個(gè)測(cè)控裝置與1臺(tái)上位機(jī)距離50 m進(jìn)行串行通信，通信正?？煽?。將2個(gè)測(cè)控裝置與2臺(tái)上位機(jī)(均安裝有RS485通信卡)分別相距50 m，通信線路采用并聯(lián)，4個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間RS485通信正?？煽?。依次類推，在多個(gè)測(cè)控裝置與多臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)，RS485通信均正?？煽?。

　　在上位機(jī)上通過(guò)串口調(diào)試助手可以簡(jiǎn)便地對(duì)串口進(jìn)行調(diào)試。該調(diào)試工具可以實(shí)時(shí)發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式和傳輸速率可調(diào)，可以動(dòng)態(tài)觀察各通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)情況。串口調(diào)試界面如圖4所示。

　　圖4 串口調(diào)試界面

　　該設(shè)計(jì)方法成功實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與上位機(jī)之間的RS485串行通信，在單片機(jī)與上位機(jī)距離50 m以內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)115.2 k/ps的高速通信，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　6 結(jié)論

通過(guò)在單片機(jī)與工控機(jī)之間建立RS485串行通信網(wǎng)絡(luò)，利用RS485串行通信的優(yōu)勢(shì)，可以保證穩(wěn)定、快