RS485/RS232轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)PC機和單片機之間的串行通信

1、RS485串行通信接口電路的總體設(shè)計

在電參數(shù)儀的設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集由單片機AT89C52負責，上位PC機主要負責通信（包括與單片機之間的串行通信和數(shù)據(jù)的遠程通信），以及數(shù)據(jù)處理等工作。在工作中，單片機需要定時向上位PC機傳送大批量的采樣數(shù)據(jù)。通常，主控PC機和由單片機構(gòu)成的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相距較遠，近則幾十米，遠則上百米，并且數(shù)據(jù)傳輸通道環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常有大容量的電器（如電動機，電焊機等）啟動或切斷。為了保證下位機的數(shù)據(jù)能高速及時、安全地傳送至上位PC 機，單片機和PC機之間采用RS485協(xié)議的串行通信方式較為合理。

實際應(yīng)用中，由于大多數(shù)普通PC機只有常用的RS232串行通信口，而不具備RS485通信接口。因此，為了實現(xiàn)RS485協(xié)議的串行通信，必須在PC機側(cè)配置RS485/RS232轉(zhuǎn)換器，或者購買適合PC機的RS485卡。這些附加設(shè)備的價格一般較貴，尤其是一些RS485卡具有自己獨特的驅(qū)動程序，上位PC機的通信一般不能直接采用WINDOW95/98環(huán)境下有關(guān)串口的WIN32通信API函數(shù)，程序員還必須熟悉RS485卡的應(yīng)用函數(shù)。為了避開采用RS485通信協(xié)議的上述問題，我們決定自制RS485/RS232轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)單片機和PC機之間的通信。

單片機和PC機之間的RS485通信硬件接口電路的框圖，如圖1所示。

從圖1可看出，單片機的通信信號首先通過光隔，然后經(jīng)過RS485接口芯片，將電平信號轉(zhuǎn)換成電流環(huán)信號。經(jīng)過長距離傳輸后，再通過另一個RS485接口芯片，將電流環(huán)信號轉(zhuǎn)換成電平信號。

該電平信號再經(jīng)過光電隔離，最后由SR232接口芯片，將該電平信號轉(zhuǎn)換成與PC機RS232端口相兼容的RS232電平。由于整個傳輸通道的兩端均有光電隔離，故無論是PC機還是單片機都不會因數(shù)據(jù)傳輸線上可能遭受到的高壓靜電等的干擾而出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。

2、接口電路的具體設(shè)計

2.1單片機側(cè)RS485接口電路的設(shè)計

單片機側(cè)RS485接口電路如圖2所示。

AT89C52單片機的串行通信口P3?0（RXD）和P3?1（TXD）的電平符合TTL/CMOS標準（邏輯“0”的電平范圍為 0V～0.8V,邏輯“1”的電平為2?4V～VCC）,它們首先通過光電隔離器件6N137隔離，以保護單片機不受傳輸通道的干擾影響，其中T01和 T02是為了增加光隔輸入端的驅(qū)動能力。光隔6N137的左側(cè)電源與單片機相同，右側(cè)必須采用另一組獨立的＋5V電源，且兩組電源不能供電。

MAX490[4]是MAXIM公司的RS485接口芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。MAX490支持單電源＋5V工作，傳輸速率最高可達2?5MBPS，可實現(xiàn)全 雙工通信。其RO、DI端的邏輯“0”的電平在 －0.5V～0.8V之間，邏輯“1”的電平在2?0V～VCC之間。輸出電流環(huán)的電流在150μA～500μA之間。其工作狀態(tài)為：當A 端電壓比B端電壓高200mV以上，RO輸出邏輯“1”，當A端電壓比B端電壓低200mV,RO輸出邏輯“0”；當DI為邏輯“0”，輸出Y低、Z高，當DI為邏輯“1”，輸出Y高、Z低。圖2中的電阻器RRS為MAX490的終端匹配電阻器。

2.2PC機側(cè)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

RC機側(cè)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的電路如圖4所示。

該電路首先通過MAX490芯片將單片機側(cè)經(jīng)遠距離傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)信號轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS標準的電平信號，然后通過光隔6N137隔離，得到兩個同樣是與TTL/CMOS電平相兼容的電平信號；最后，經(jīng)RS232芯片轉(zhuǎn)換成 RS232電平：其中RS232電平的邏輯“0”的電平范圍為－5V～－15V，邏輯“1”的電平范圍為＋5V～＋15V。這里RS232電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAXIM公司的MAX232A[4]，該芯片采用單電源(＋5V）供電，RS232電平由內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的設(shè)計過程中需要特別注意的是電源的設(shè)計。單片機側(cè)和PC機側(cè)的RS485芯片理論上可共用一個電源。實際上，如果穩(wěn)壓電路安裝在單片機側(cè)，同時又將此電源直接拉至PC側(cè)的RS485/RS232轉(zhuǎn)換器中，由于電源線可能長達上百米，電源線的線徑又不可能選得很粗。如此遠距離的傳輸將會導(dǎo)致電源電壓在PC機側(cè)有一個很大的落差，這樣，有可能造成PC機側(cè)的MAX490或光隔IC702工作不正常。一個比較好的解決辦法是首先直接將單片機側(cè)變壓器輸出的交流信號經(jīng)長距離傳輸至RS485/RS232轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)整流和穩(wěn)壓，作為PC機側(cè)MAX490和光隔 IC702的供電電源。此外，RS232和光隔左側(cè)的供電電源PCVCC可以利用PC機內(nèi)部開關(guān)電源的＋5V輸出，或者由外部穩(wěn)壓電源提供。

3、通信軟件的設(shè)計

利用上述硬件通信電路，可以實現(xiàn)符合RS485協(xié)議的串行通信，同時又對軟件的編寫沒有任何額外要求，因為本電路改變了傳輸通道的信號傳輸方式。單片機側(cè)的通信可以采用查詢方式或串行中斷方式。在電參數(shù)測試儀中，為了保證上位機和下位機之間時序的嚴格一致，我們采用了查詢方式，這部分程序的編寫較簡單，具體可參閱文獻[1][3]。PC機側(cè)WINDOWS環(huán)境下的通信程序，可直接利用VC＋＋提供的相應(yīng)于串口的API函數(shù)完成RS232 通信編程，具體可參閱文獻[2][3]。

由于數(shù)據(jù)傳輸是在強干擾的環(huán)境中進行的，而且傳輸距離又較遠，為了保證數(shù)據(jù)能高速、準確傳輸，軟件編程時可以考慮對大批量的數(shù)據(jù)進行分組傳送，同時對每組數(shù)據(jù)進行和校驗，檢查其傳輸?shù)臏蚀_性。在實際使用中，設(shè)定每組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頭為單字節(jié)0AAH，中間為256個字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最后一個字節(jié)為和校驗結(jié)果。PC機每接收到一組數(shù)據(jù)，均要進行再次和校驗，，然后將PC機的校驗結(jié)果和單片機的校驗結(jié)果（該組數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)）相比較，若兩者不等則校驗失敗，PC機給單片機發(fā)重傳命令，要求單片機重傳本組數(shù)據(jù)；若兩者相等則校驗正常，PC機給單片機發(fā)確認認號，并準備接收下一組采樣數(shù)據(jù)，單片機則開始新一輪采樣。

4、實際應(yīng)用

在電參數(shù)測試儀的工作過程中，大約每隔一分鐘單片機和上位PC機之間就要經(jīng)過多次命令和數(shù)據(jù)的雙向傳遞，其數(shù)據(jù)量較大，每次約有7k字節(jié)左右。本系統(tǒng)單片機選用ATMEL公司的AT89C52，晶振頻率為11?0592MHz，串行通信方式為模式1，通信速率為57.6kBPS。上位機的通信和數(shù)據(jù)處理程序采用VC＋＋6.0編寫。單片機和PC機之間的距離約100米左右，傳輸線由普通的多芯電源線替代，且經(jīng)過有電焊機、電動機、高壓靜電發(fā)生器等頻繁起動的場合。采用上述硬件通信電路，同時考慮編程時的軟件糾錯，該儀器經(jīng)過多次24小時的不間斷運行，都沒有發(fā)生過死機現(xiàn)象，工作一切正常。調(diào)試時，通過觀察上位PC機中設(shè)置的數(shù)據(jù)重傳計數(shù)器，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳次數(shù)極少。

實踐證明本文設(shè)計符合RS485協(xié)議的串行通信電路，可以滿足高速率、高可靠、遠距離的串行通信，同時價格又比較便宜，不失為一種較為理想的串行通信方案。