PC機(jī)與多臺單片機(jī)實時通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言

集散控制系統(tǒng)(DCS)又名分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)，是利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測、操作、管理和分散控制的一種新型技術(shù)。在現(xiàn)代化工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，集散控制系統(tǒng)已成為過程自動化系統(tǒng)發(fā)展的主流。然而，在工業(yè)控制領(lǐng)域，控制系統(tǒng)除了要求具有極高的可靠性外，還必須具有較強(qiáng)的實時響應(yīng)能力和友好的人機(jī)交互界面。

本系統(tǒng)主要通過PC機(jī)與多臺單片機(jī)構(gòu)成小型集散控制系統(tǒng)來進(jìn)行通信，既充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源實現(xiàn)友好的人機(jī)界面，又通過RS-232C/485總線結(jié)構(gòu)與8251單片機(jī)進(jìn)行通信，對多臺單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)在電路形式上比較簡單，其原理框圖如圖1所示。

2.1 通信控制器電路分析與設(shè)計

通信控制器的主要作用是完成主機(jī)和從機(jī)之間的通信?？刂破鞯暮诵氖且慌_AT89S51單片機(jī)，它僅具有一個可編程的全雙工串行通信接口，而作為通信控制器需要同時與主機(jī)(PC機(jī))和從機(jī)進(jìn)行串行通信，因此就利用單片機(jī)的并行數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)串口的擴(kuò)展，這里選擇了8251作為單片機(jī)的串口擴(kuò)展芯片。8251是用于串行數(shù)據(jù)通信的USART(通信同步/異步收發(fā)器)，它可以從單片機(jī)接收并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送出去，也可以從外部接收串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)。并且8251僅占用2個外部數(shù)據(jù)空間地址單元，對它的讀、寫訪問如同訪問外部RAM一樣方便， 、 信號均由單片機(jī)提供，需要設(shè)計的只有片選信號。此外，8251提供的RXRDY和TXRDY引腳可以用來觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，通知單片機(jī)8251可以進(jìn)行新數(shù)據(jù)的發(fā)送或已經(jīng)接收到新的數(shù)據(jù)。根據(jù) 8251的特性設(shè)計的單片機(jī)串口擴(kuò)展電路如圖2所示。

圖2 基于8251的單片機(jī)串口擴(kuò)展電路

從圖2可以看出，8251的指令/數(shù)據(jù)選擇引腳接到了單片機(jī)的地址線A0，這樣可以通過2個不同的地址來區(qū)分對8251的命令寫、數(shù)據(jù)寫或狀態(tài)讀、數(shù)據(jù)讀。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)8251的片選引腳 與單片機(jī)地址線A15通過反相器后的相連，使得8251在外部數(shù)據(jù)空間8000H～FFFFH之間32KB的范圍內(nèi)可以隨意選擇地址，這里選擇8000H(訪問數(shù)據(jù))和8001H(訪問指令 /狀態(tài))兩個地址。8251的RXRDY引腳通過一個非門后連接至單片機(jī)的 引腳，當(dāng)8251從主機(jī)接收到數(shù)據(jù)時就會引起單片機(jī)中斷。

MC14060用于為8251提供時鐘信號，其中包括用于產(chǎn)生8251內(nèi)部的時鐘CLK、用于決定發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸速率的時鐘 和用于決定接收數(shù)據(jù)傳輸速率的時鐘 。CLK連接到MC14060的OUT2輸出引腳， 和 同時連接到MC14060的Q5輸出引腳。MC14060的時鐘輸入頻率為2.4576MHz，則OUT2引腳輸出的頻率為2.4576MHz，Q5引腳輸出的頻率為2.4576MHz/25=76.8kHz。那么8251發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘 和接收數(shù)據(jù)的時鐘 均為76.8kHz，通過單片機(jī)編程將8251的數(shù)據(jù)傳輸速率因子設(shè)置為1/16，則8251的串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率為76800/16=4800bit/s。

控制器與主機(jī)的通信是通過8251來實現(xiàn)的，8251帶有一個全雙工的串口，但它的串行數(shù)據(jù)接口并不是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串口，必須通過外接RS-232 收發(fā)器芯片才能與主機(jī)的串口連接起來通信，這里選擇的RS-232收發(fā)器芯片是MAXIM公司的MAX232C。MAX232C包含兩個發(fā)送器和兩個接收器，這里只需使用其中任意一組發(fā)送器和接收器即可。

由于控制器與從機(jī)之間的通信是多點的串行通信，所以選擇了MAXIM公司的MAX485芯片來實現(xiàn)控制器與從機(jī)之間的多機(jī)通信系統(tǒng)。因為信號在傳輸線上傳送時，若遇到阻抗不連續(xù)的情況，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象從而影響信號的遠(yuǎn)距離傳輸，所以必須采用匹配的辦法來消除反射。雙絞線的特性阻抗一般在 110～130Ω之間，它與線的絕緣材料的厚度及導(dǎo)線的直徑有關(guān)，所以通常在RS-485總線末端接入120Ω的電阻是為了對通信線路進(jìn)行阻抗匹配。

由于MAX485為半雙工通信方式，不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只能通過控制和DE引腳的狀態(tài)來進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。這里將MAX485的和DE引腳連在一起接到單片機(jī)的P10口，通過單片機(jī)的P10口來控制MAX485發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)P10為低電平時MAX485處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，而當(dāng)P10為高電平時MAX485則處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。MAX485的RO引腳接到單片機(jī)的串口接收引腳RXD， MAX485的DI引腳接到單片機(jī)的串口發(fā)送引腳TXD。

在通信速率要求不是很高的情況下，RS-485總線的通信距離可以達(dá)到1200m，這樣就可以通過多臺單片機(jī)來構(gòu)建一個遠(yuǎn)程多機(jī)通信系統(tǒng)。

2.2 從機(jī)部分硬件電路分析與設(shè)計

在本系統(tǒng)中，從機(jī)主要完成信號采集與顯示輸出。這里采用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0804完成模擬信號的采集?；贏DC0804所設(shè)計的A/D采集電路采用阻容元件來搭建ADC0804的時鐘電路。電阻R=10k，電容=150p，經(jīng)計算，時鐘頻率

電位器RP1用于提供ADC0804的參考電壓，調(diào)整電位器，使ADC0804的Vref/2引腳的電壓為2.56V。電位器RP2用于提供ADC0804的輸入電壓，調(diào)整RP2即可使輸入電壓在0～5V內(nèi)變化。將ADC0804的 引腳接到單片機(jī)的 引腳，即每次ADC0804轉(zhuǎn)換完成后就會使單片機(jī)進(jìn)入中斷來處理ADC0804輸出的8位數(shù)字信息。

此外，從機(jī)還要將主機(jī)發(fā)送過來的信息顯示出來，以表明從機(jī)接收到了主機(jī)發(fā)來的信號。系統(tǒng)中采用了8個LED連接到單片機(jī)的P2口作為顯示輸出，可以將主機(jī)發(fā)送過來的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)以二進(jìn)制方式顯示出來。由于單片機(jī)端口的驅(qū)動能力有限，不能用高電平直接驅(qū)動LED，所以將LED采用共陽極接法。

在從機(jī)工作的過程中，可能會出現(xiàn)各種異常狀況，需要將報警信息及時反饋給主機(jī)。為了模擬從機(jī)異常報警過程，在單片機(jī)的外部中斷 輸入端連接一個按鍵，利用按鍵觸發(fā)外部中斷來報警。當(dāng)按下鍵時，從機(jī)會將報警信息發(fā)送給控制器，控制器收到后再將報警信息傳遞給主機(jī)，在主機(jī)界面上就會彈出一個對話框顯示是幾號從機(jī)報警。

3 集散控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1控制器和從機(jī)的軟件設(shè)計

控制器軟件設(shè)計的主要任務(wù)是完成主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，而從機(jī)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是完成A/D采集并將采集的數(shù)據(jù)上傳給控制器，能夠?qū)⒅鳈C(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)輸出顯示，而且可以通過按鍵中斷觸發(fā)報警。

控制器與主機(jī)之間的通信是通過8251來實現(xiàn)的，8251的功能配置由單片機(jī)通過軟件編程方式實現(xiàn)，單片機(jī)可以通過8位并行數(shù)據(jù)接口向8251寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)、命令或者從8251讀出接收的數(shù)據(jù)、狀態(tài)。在軟件設(shè)計上可以分為兩部分，一部分是控制器向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，另一部分是控制器從主機(jī)接收數(shù)據(jù)，程序流程圖分別如圖3和圖4所示。注意必須先讀取8251的狀態(tài)字，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志位TXRDY為1時才能通過8251向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)?？刂破髟谥袛喾?wù)程序中處理從主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)。

控制器與從機(jī)間的通信主要是利用了51單片機(jī)串口的多機(jī)通信功能。在多機(jī)通信中，為了保證主機(jī)與所選擇的從機(jī)實現(xiàn)可靠的通信，必須保證通信接口具有識別功能，可以通過控制單片機(jī)的串口控制寄存器SCON中的SM2位來實現(xiàn)多機(jī)通信功能。控制器和從機(jī)在接收串行數(shù)據(jù)時均采用中斷方式?？刂破髋c從機(jī)通信是通過MAX485來實現(xiàn)的，必須先將單片機(jī)的P10口置1，使MAX485處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，然后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后必須將單片機(jī)P10口置 0，使MAX485處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

從機(jī)的A/D采集采用中斷方式通知從機(jī)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)從機(jī)接收到的數(shù)據(jù)為#0AAH時，從機(jī)就將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，發(fā)送的數(shù)據(jù)每隔1s更新一次；當(dāng)數(shù)據(jù)為#0BBH時，從機(jī)就停止向控制器發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)為其它時就輸出顯示。由于在實際應(yīng)用中前端控制系統(tǒng)可能會出現(xiàn)各種各樣的報警信息，所以在這里通過一個按鍵觸發(fā)中斷來模擬報警情況的發(fā)生。

3.2 主機(jī)通信控制軟件設(shè)計與測試

3.2.1 主機(jī)通信控制軟件設(shè)計

主機(jī)控制軟件設(shè)計主要是針對串口的操作，通過建立主界面對話框及添加變量，串口初始化，串口事件消息處理，發(fā)送數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)，選擇從機(jī)號查看狀態(tài)，選擇從機(jī)號控制狀態(tài)并且編寫VC++程序來實現(xiàn)可視化界面及其功能。

3.2.2 從機(jī)狀態(tài)控制測試

在測試時，將主機(jī)、控制器和兩臺從機(jī)全部連上，在主機(jī)對話框的從機(jī)狀態(tài)控制欄里，選擇1號機(jī)，在編輯框中輸入十六進(jìn)制數(shù)據(jù)“12”，然后點擊“發(fā)送”按鈕，如圖5所示。1號機(jī)收到數(shù)據(jù)后就會將數(shù)據(jù)用8位LED以二進(jìn)制方式顯示出來，LED顯示為“00010010”。

圖5 從機(jī)狀態(tài)控制測試

圖6 從機(jī)狀態(tài)控制測試

圖7 顯示1號機(jī)報警信息

3.2.3 從機(jī)狀態(tài)查看測試

在從機(jī)狀態(tài)查看欄里，選擇1號機(jī)，點擊查看按鈕，如圖6所示，編輯框里就會將1號機(jī)A/D采集到的數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制的方式顯示出來。當(dāng)調(diào)整ADC0804的輸入電壓時，編輯框中的數(shù)據(jù)就會隨著輸入電壓的變化每隔1s更新一次。同樣，當(dāng)查看2號機(jī)時，也能夠正常工作。

3.2.4 從機(jī)報警測試

在從機(jī)部分通過按鍵觸發(fā)中斷的方式來模擬報警情況的發(fā)生，當(dāng)按下1號機(jī)的按鍵時，在主機(jī)的界面上就會彈出一個菜單顯示“1號機(jī)報警”，如圖7所示；當(dāng)按下2號機(jī)的按鍵時，在主機(jī)的界面上就會彈出一個菜單顯示“2號機(jī)報警”。

4 結(jié)論

針對集散控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，提出了一種新的由一臺PC機(jī)和多臺單片機(jī)組成的一個小型集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了PC機(jī)與多臺單片機(jī)間的通信任務(wù)。本文作者創(chuàng)新點:既充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源實現(xiàn)友好的人機(jī)界面，又通過RS-232C/485總線結(jié)構(gòu)與8251單片機(jī)進(jìn)行通信，對多臺單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。本系統(tǒng)不僅硬件實現(xiàn)簡單，而且軟件實現(xiàn)可靠。通過長時間長距離的測試，證明該方法思路簡單，價格低、功能強(qiáng)、抗干擾能力好、溫限寬、通訊可靠，是一種有效的多機(jī)通訊方法。同時，系統(tǒng)可以通過串口通訊，擴(kuò)展為更高級別的集散控制系統(tǒng)。因此，這種小型集散控制系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。

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