基于RS 485單片機(jī)多機(jī)串行通信的電子開關(guān)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)大中型傳送帶傳送過程中位置跑偏的檢測，設(shè)計(jì)了基于RS 485單片機(jī)多機(jī)串行通信的電子開關(guān)。介紹了該電子開關(guān)的總體方案及硬件電路設(shè)計(jì)，該電子開關(guān)采用RS 485通信，不僅抗干擾能力好，并能夠?qū)崿F(xiàn)長距離通信且可以避免多個(gè)從機(jī)同時(shí)與主機(jī)通信時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的問題。實(shí)驗(yàn)表明，該電子開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于工業(yè)控制、檢測等領(lǐng)域中。
關(guān)鍵詞：RS 485；單片機(jī)；串行通信；電子開關(guān)

0 引言
    目前多機(jī)串行通信是通信控制領(lǐng)域的主流通信方式，數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)及其測控領(lǐng)域中，經(jīng)常采用串行通信來達(dá)到信息交換的目的。多機(jī)串行通信控制網(wǎng)絡(luò)是物理層采用RS 485通信接口所組成的多機(jī)串行通信工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，RS 485既是物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也是串行通信接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。RS 485通信方式有很多優(yōu)點(diǎn)，首先它的通信距離比較遠(yuǎn)，通?？梢宰龅綌?shù)百米甚至千米以上，而且還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信方式，從而可以建立一個(gè)小范圍內(nèi)的局域網(wǎng)，因而更有實(shí)用價(jià)值。RS 485采用差模信號(hào)傳輸方式，與地電平關(guān)系不大，因而它抗干擾的能力比較好，即便在信號(hào)電壓比較小的情況下也能獲得穩(wěn)定的傳輸。

1 總體方案及硬件設(shè)計(jì)
    該電子開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主機(jī)能夠與從機(jī)之間進(jìn)行地址確認(rèn)并相互通信，從機(jī)能夠準(zhǔn)確檢測到被測信號(hào)，主機(jī)能夠接收從機(jī)傳來的數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過液晶顯示器和發(fā)光二極管顯示，同時(shí)采用RS 485總線主從機(jī)可以實(shí)現(xiàn)長距離通信。主從機(jī)采用的主要核心芯片均為單片機(jī)，考慮單片機(jī)性能及實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的需要，選用AT89S51單片機(jī)，串行通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    (1)主機(jī)使用主要器件：AT89S51 MAX4851602LCD LED RESISTORS CAP CRYSTAL；
    (2)從機(jī)使用主要器件：AT89S51 MAX485 RESISTORS CAP CRYSTAL
    主機(jī)主要功能：
    (1)與從機(jī)之間進(jìn)行地址確認(rèn)。
    (2)查詢從機(jī)是否有信號(hào)(從機(jī)檢測被測量時(shí)產(chǎn)生的相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào))發(fā)送到主機(jī)。
    (3)通過液晶顯示發(fā)送信號(hào)的從機(jī)地址，同時(shí)可以通過發(fā)光二極管顯示信號(hào)的級(jí)別(這里兩個(gè)發(fā)光二極管分別代表兩個(gè)行程開關(guān)的亮滅)。
    從機(jī)主要功能：
    (1)與主機(jī)之間進(jìn)行地址確認(rèn)。
    (2)檢測被測量，并將被測信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。
    主機(jī)主要有兩大功能模塊：液晶顯示模塊用來顯示從機(jī)地址編號(hào)，所使用的器件為1602LCD，RS 485串行通信模塊用來實(shí)現(xiàn)與從機(jī)之間的遠(yuǎn)距離串行通信，使用MAX485芯片來實(shí)現(xiàn)。
    從機(jī)的主要功能模塊為RS 485串行通信模塊用來完成與主機(jī)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理
    主從機(jī)均采用的是AT89S51單片機(jī)，它是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4 KB的可反復(fù)擦寫1 000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器。單片機(jī)的XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。本電子開關(guān)設(shè)計(jì)外接12MHz晶振。
    主從機(jī)均使用單片機(jī)2個(gè)全雙工串行通信口外接MAX485芯片來完成與從機(jī)之間的串行通信，由串行口控制寄存器SCON設(shè)置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等。P3．0／RXD為串行通信接收端，P3．1／TXD為串行通信發(fā)送端。
    主機(jī)端口P0．0～P0．7作為液晶顯示器的數(shù)據(jù)線，P0口上拉10 kΩ電阻與1602液晶的D0～D7數(shù)據(jù)端相連，P3．7與使能端E相連，P3．6與讀／寫信號(hào)線RW相連，P3．5與寄存器選擇端RS相連。P1．0和P1．1引腳接兩個(gè)發(fā)光二極管，用來顯示從機(jī)發(fā)送信號(hào)的級(jí)別。
    從機(jī)P1．0和P1．1引腳分別接到一級(jí)行程開關(guān)和二級(jí)行程開關(guān)，用來檢測兩個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，最終由從機(jī)P1．0和P1．1這兩個(gè)引腳將行程開關(guān)的狀態(tài)發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)讀取狀態(tài)值并且顯示。
    主機(jī)通過輪詢的方式，當(dāng)主機(jī)查詢n號(hào)從機(jī)時(shí)，與n號(hào)從機(jī)進(jìn)行地址確認(rèn)，并判斷n號(hào)從機(jī)是否有信號(hào)產(chǎn)生，如果沒有，主機(jī)將查詢n-1號(hào)從機(jī)，如果有信號(hào)產(chǎn)生，主機(jī)接收到信號(hào)并存儲(chǔ)該從機(jī)的主機(jī)編號(hào)，分別通過發(fā)光二極管和液晶顯示出來，如果n-1號(hào)從機(jī)繼續(xù)有信號(hào)產(chǎn)生，主機(jī)繼續(xù)接收，直到接收完畢，主機(jī)將查詢n-2號(hào)從機(jī)，如此往復(fù)。從機(jī)的個(gè)數(shù)可以在主機(jī)程序中對(duì)從機(jī)個(gè)數(shù)n值進(jìn)行設(shè)定。
2．1 多機(jī)串行通信及通信協(xié)議
    電子開關(guān)的設(shè)計(jì)核心主要通過單片機(jī)的多機(jī)串行通信來實(shí)現(xiàn)。
2．1．1 發(fā)送器和接收器
    AT89S51串行口主要由發(fā)送器、接收器和串行控制寄存器組成。發(fā)送器主要由發(fā)送緩沖寄存器SBUF和發(fā)送控制器組成。接收器主要由接收緩沖寄存器SBUF，接收移位寄存器和接收控制器組成。
2．1．2 串行口控制寄存器
    串行口控制寄存器SCON用于設(shè)置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等。它是一個(gè)既可字節(jié)尋址又可位尋址的特殊功能寄存器。控制寄存器SCON的格式如下：

    電子開關(guān)中單片機(jī)串行口控制寄存器SCON各位設(shè)置如下：
    主機(jī)SCON設(shè)置：1 0 0 1 1 0 0 0 =#98H
    從機(jī)SCON設(shè)置：1 0 1 1 0 0 0 0 =#0B0H
2．1．3 工作方式的選擇
   本電子開關(guān)單片機(jī)串行通信工作方式選擇為工作方式2，在方式2下，串行口工作在11位異步通信方式。一幀信息包含一個(gè)起始位“0”，八個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)可編程第九數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位“1”。其中可編程位是SCON中的TB8位，在八個(gè)數(shù)據(jù)位之后，可作奇偶校驗(yàn)位或地址／數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位使用，由使用者確定。
    波特率的選擇：方式2的波特率是固定的。
    若PCON中SMOD=0，速率=fosc／32
    若PCON中SMOD=1，速率=fosc／64
    該設(shè)計(jì)中：波特率為9 600 b／s。
2．1．4 實(shí)現(xiàn)原理及流程
    多機(jī)通信主要靠主、從機(jī)之間正確地設(shè)置與判斷多機(jī)通信控制位SM2和發(fā)送或接收的第9數(shù)據(jù)位(D8)。
    電子開關(guān)多機(jī)串行通信的實(shí)現(xiàn)流程：
    (1)主從機(jī)均初始化工作方式2，主機(jī)置SM2=0，允許中斷，從機(jī)置SM2=1，REN=1。
    (2)主機(jī)置REN=1，TB8=1，將地址信息發(fā)送給從機(jī)，并等待是否發(fā)送完畢，從機(jī)等待主機(jī)發(fā)送地址。
    (3)從機(jī)接收到地址與本機(jī)地址核對(duì)，核對(duì)正確，置SM2=0，向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答地址并等待發(fā)送完畢，主機(jī)接收之后進(jìn)行地址確認(rèn)，并置TB8=0。
    (4)從機(jī)地址發(fā)送完畢后，接著發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)并等待發(fā)送完畢。
    (5)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)將從機(jī)編號(hào)發(fā)送到液晶顯示，將信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)到發(fā)光二極管顯示信號(hào)級(jí)別。
2．1．5 主從機(jī)之間地址確認(rèn)
    主從機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前，首先進(jìn)行地址確認(rèn)，其目的就是讓主機(jī)知道哪號(hào)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)首先發(fā)送n號(hào)從機(jī)地址編號(hào)#0FFH，所有從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的地址后與各自的地址進(jìn)行核對(duì)，地址不是#OFFH的從機(jī)將繼續(xù)等待主機(jī)的呼叫，核對(duì)正確的從機(jī)向主機(jī)發(fā)送本機(jī)的應(yīng)答地址，主機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答地址后進(jìn)一步做出判斷，確認(rèn)是否是n號(hào)從機(jī)的地址。地址確認(rèn)正確之后，主機(jī)與n號(hào)從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，直到數(shù)據(jù)通信完畢，主機(jī)將呼叫下一號(hào)從機(jī)。
2．1．6 避免多從機(jī)與主機(jī)通信產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突
    一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)進(jìn)行串行通信的時(shí)候，如果當(dāng)某一從機(jī)有數(shù)據(jù)時(shí)向主機(jī)發(fā)送，這時(shí)可能出現(xiàn)兩個(gè)，三個(gè)或者更多從機(jī)同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，需要同時(shí)向主機(jī)發(fā)送，這樣就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信的沖突問題。該電子開關(guān)的設(shè)計(jì)采用主機(jī)輪詢從機(jī)的方式，從而有效避免了主從機(jī)數(shù)據(jù)通信沖突的問題，主機(jī)先呼叫n號(hào)從機(jī)，地址確認(rèn)之后，是n號(hào)的從機(jī)應(yīng)答并與主機(jī)進(jìn)行通信，其余從機(jī)處于等待狀態(tài)，主機(jī)接收n號(hào)從機(jī)數(shù)據(jù)，并判斷該從機(jī)是否繼續(xù)有數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)其他從機(jī)若有數(shù)據(jù)只能處于排隊(duì)等待中，不會(huì)對(duì)主機(jī)產(chǎn)生干擾，主機(jī)接收完畢后將n號(hào)從機(jī)地址減1，呼叫n-1號(hào)從機(jī)，如此反復(fù)輪詢各個(gè)從機(jī)。主機(jī)輪詢的過程是很快的，從機(jī)檢測到被測信號(hào)的時(shí)候也能得到及時(shí)的處理。如圖2所示。

2．2 多RS 485串行通信模塊
    RS 485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A，B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。如果以10 Kb／s速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá)12 m，而用100 Kb／s速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá)1．2 km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。
    實(shí)現(xiàn)RS 485串行通信只需給主機(jī)和每個(gè)從機(jī)接各接一片MAX485芯片，其接收器的輸出端RO和驅(qū)動(dòng)器的輸入端DI，只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；在主機(jī)電子開關(guān)中使用單片機(jī)的P3．4引腳控制MAX485的和DE兩端，如圖3所示。

    A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。
    可靠性措施如下：
    復(fù)位時(shí)，主從機(jī)都應(yīng)該處于接收狀態(tài)。
    控制端，DE的信號(hào)的有效脈寬應(yīng)該大于發(fā)送或接收一幀信號(hào)的寬度。
    同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選120 Ω的電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，保證正常傳輸信號(hào)干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應(yīng)與總線的特性阻抗相當(dāng)。
    接收和發(fā)送的使能端和DE的引腳控制在程序中的實(shí)現(xiàn)，主機(jī)部分程序如下：
   
2．3 液晶顯示模塊
    液晶顯示模塊選用1602液晶，1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。電子開關(guān)上使用1602液晶顯示，是用來顯示發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)的從機(jī)編號(hào)，某一從機(jī)檢測到信號(hào)時(shí)將會(huì)顯示：
    Fault Machine is：***(001號(hào)，002號(hào)，003號(hào)……)
    1602主要引腳定義如下：
    RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。
    主機(jī)接收到某一從機(jī)發(fā)來的一級(jí)或二級(jí)信號(hào)時(shí)，將此從機(jī)的編號(hào)發(fā)送至液晶顯示出該從機(jī)的編號(hào)。主機(jī)首先對(duì)地址編號(hào)值進(jìn)行百十個(gè)位分離，然后在液晶上逐位顯示。
    百十個(gè)位分離程序如下：
   
   
    主機(jī)RS 485通信與液晶顯示電路原理圖如圖3所示。

3 電子開關(guān)的功能及應(yīng)用
    該電子開關(guān)從功能上主要分為主機(jī)和從機(jī)電子開關(guān)兩部分。
    主機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的接收和處理，以及將最終結(jié)果狀態(tài)顯示出來，從機(jī)電子關(guān)主要完成信號(hào)的檢測，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的搭建由一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)電子開關(guān)組成，從機(jī)電子開關(guān)的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況的需要而定。
    因該電子開關(guān)要應(yīng)用到傳送帶位置跑偏的檢測中，從機(jī)電子開關(guān)要安裝在一個(gè)檔桿機(jī)構(gòu)(如圖4，圖5所示)中，每個(gè)檔桿機(jī)構(gòu)中內(nèi)部都有兩個(gè)行程開關(guān)，根據(jù)所要求的信號(hào)級(jí)別，分別將它們?cè)O(shè)置為一級(jí)行程開關(guān)和二級(jí)行程開關(guān)，檔桿通過凸輪機(jī)構(gòu)與行程開關(guān)相連，從機(jī)電子開關(guān)的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入線接到兩個(gè)行程開關(guān)上即可。

    該電子開關(guān)主要針對(duì)大中型傳送帶傳送過程中位置跑偏的檢測而設(shè)計(jì)完成，同樣也可以應(yīng)用到其他相關(guān)的設(shè)備及場合的位移量及跑偏量的檢測。在傳送帶兩側(cè)已確定位置放置從機(jī)電子開關(guān)，當(dāng)傳送帶傳送過程中某處有一定量的位置跑偏，會(huì)通過檔桿觸動(dòng)一級(jí)行程開關(guān)，產(chǎn)生一級(jí)觸發(fā)信號(hào)，并將信號(hào)傳送到從機(jī)電子開關(guān)，從機(jī)電子開關(guān)檢測到并將其發(fā)送到主機(jī)處理，主機(jī)負(fù)責(zé)顯示產(chǎn)生故障的從機(jī)編號(hào)及故障級(jí)別，以供工作人員了解到傳送帶何處產(chǎn)生一級(jí)跑偏，并對(duì)傳送帶做出相應(yīng)調(diào)整，同理傳送帶某處產(chǎn)生二級(jí)跑偏量的時(shí)候，將會(huì)由從機(jī)電子開關(guān)將二級(jí)信號(hào)發(fā)給主機(jī)顯示。
    傳送帶上的安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

4 運(yùn)行狀態(tài)及結(jié)果
    當(dāng)1號(hào)從機(jī)所連接的行程開關(guān)檔桿機(jī)構(gòu)中1級(jí)行程開關(guān)被按下時(shí)，1號(hào)從機(jī)檢測到一級(jí)故障信號(hào)，與主機(jī)進(jìn)行地址確認(rèn)之后，并向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)主機(jī)上液晶顯示器上顯示：Fault Machine is：001(故障從機(jī)編號(hào)為001)，同時(shí)發(fā)光二級(jí)管有一個(gè)顯示燈熄滅(正常狀態(tài)下兩個(gè)發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài))，同理若是2號(hào)從機(jī)檢測到故障信號(hào)時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)論
    該電子開關(guān)采用了單片機(jī)多機(jī)串行通信原理而設(shè)計(jì)，由RS 485模塊和1602液晶顯示模塊組建的小型電子開關(guān)系統(tǒng)，在工業(yè)控制中，多機(jī)串行通信的應(yīng)用越來越廣泛，可以在此電子開關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開發(fā)功能更強(qiáng)的基于RS 485總線的多機(jī)串行通信的電子開關(guān)相關(guān)產(chǎn)品，以應(yīng)用于工業(yè)控制，檢測等及其他領(lǐng)域中。