基于RS 485單片機多機串行通信的電子開關(guān)設(shè)計

摘要：針對大中型傳送帶傳送過程中位置跑偏的檢測，設(shè)計了基于RS 485單片機多機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，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從機同時與主機通信時產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突的問題。實驗表明，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；串行通信；電子開關(guān)

0 引言
    目前多機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、計算機網(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)備組成一個控制網(wǎng)絡(luò)。RS 485通信方式有很多優(yōu)點，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，而且還可以實現(xiàn)多點通信方式，從而可以建立一個小范圍內(nèi)的局域網(wǎng)，因而更有實用價值。RS 485采用差模信號傳輸方式，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
    該電子開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計要求主機能夠與從機之間進(jìn)行地址確認(rèn)并相互通信，從機能夠準(zhǔn)確檢測到被測信號，主機能夠接收從機傳來的數(shù)據(jù)信號，并通過液晶顯示器和發(fā)光二極管顯示，同時采用RS 485總線主從機可以實現(xiàn)長距離通信。主從機采用的主要核心芯片均為單片機，考慮單片機性能及實際運行環(huán)境的需要，選用AT89S51單片機，串行通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

2 設(shè)計實現(xiàn)原理
    主從機均采用的是AT89S51單片機，它是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4 KB的可反復(fù)擦寫1 000次的FLASH只讀程序存儲器。單片機的XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。本電子開關(guān)設(shè)計外接12MHz晶振。
    主從機均使用單片機2個全雙工串行通信口外接MAX485芯片來完成與從機之間的串行通信，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引腳接兩個發(fā)光二極管，用來顯示從機發(fā)送信號的級別。
    從機P1．0和P1．1引腳分別接到一級行程開關(guān)和二級行程開關(guān)，用來檢測兩個開關(guān)的狀態(tài)，最終由從機P1．0和P1．1這兩個引腳將行程開關(guān)的狀態(tài)發(fā)送到主機，主機讀取狀態(tài)值并且顯示。
    主機通過輪詢的方式，當(dāng)主機查詢n號從機時，與n號從機進(jìn)行地址確認(rèn)，并判斷n號從機是否有信號產(chǎn)生，如果沒有，主機將查詢n-1號從機，如果有信號產(chǎn)生，主機接收到信號并存儲該從機的主機編號，分別通過發(fā)光二極管和液晶顯示出來，如果n-1號從機繼續(xù)有信號產(chǎn)生，主機繼續(xù)接收，直到接收完畢，主機將查詢n-2號從機，如此往復(fù)。從機的個數(shù)可以在主機程序中對從機個數(shù)n值進(jìn)行設(shè)定。
2．1 多機串行通信及通信協(xié)議
    電子開關(guān)的設(shè)計核心主要通過單片機的多機串行通信來實現(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。它是一個既可字節(jié)尋址又可位尋址的特殊功能寄存器?？刂萍拇嫫鱏CON的格式如下：

    電子開關(guān)中單片機串行口控制寄存器SCON各位設(shè)置如下：
    主機SCON設(shè)置：1 0 0 1 1 0 0 0 =#98H
    從機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。一幀信息包含一個起始位“0”，八個數(shù)據(jù)位，一個可編程第九數(shù)據(jù)位和一個停止位“1”。其中可編程位是SCON中的TB8位，在八個數(shù)據(jù)位之后，可作奇偶校驗位或地址／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)計中：波特率為9 600 b／s。
2．1．4 實現(xiàn)原理及流程
    多機通信主要靠主、從機之間正確地設(shè)置與判斷多機通信控制位SM2和發(fā)送或接收的第9數(shù)據(jù)位(D8)。
    電子開關(guān)多機串行通信的實現(xiàn)流程：
    (1)主從機均初始化工作方式2，主機置SM2=0，允許中斷，從機置SM2=1，REN=1。
    (2)主機置REN=1，TB8=1，將地址信息發(fā)送給從機，并等待是否發(fā)送完畢，從機等待主機發(fā)送地址。
    (3)從機接收到地址與本機地址核對，核對正確，置SM2=0，向主機發(fā)送應(yīng)答地址并等待發(fā)送完畢，主機接收之后進(jìn)行地址確認(rèn)，并置TB8=0。
    (4)從機地址發(fā)送完畢后，接著發(fā)送信號數(shù)據(jù)并等待發(fā)送完畢。
    (5)主機接收到數(shù)據(jù)將從機編號發(fā)送到液晶顯示，將信號數(shù)據(jù)發(fā)到發(fā)光二極管顯示信號級別。[!--empirenews.page--]
2．1．5 主從機之間地址確認(rèn)
    主從機在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前，首先進(jìn)行地址確認(rèn)，其目的就是讓主機知道哪號從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。主機首先發(fā)送n號從機地址編號#0FFH，所有從機接收到主機發(fā)送的地址后與各自的地址進(jìn)行核對，地址不是#OFFH的從機將繼續(xù)等待主機的呼叫，核對正確的從機向主機發(fā)送本機的應(yīng)答地址，主機收到從機的應(yīng)答地址后進(jìn)一步做出判斷，確認(rèn)是否是n號從機的地址。地址確認(rèn)正確之后，主機與n號從機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，直到數(shù)據(jù)通信完畢，主機將呼叫下一號從機。
2．1．6 避免多從機與主機通信產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突
    一個主機與多個從機進(jìn)行串行通信的時候，如果當(dāng)某一從機有數(shù)據(jù)時向主機發(fā)送，這時可能出現(xiàn)兩個，三個或者更多從機同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)，需要同時向主機發(fā)送，這樣就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信的沖突問題。該電子開關(guān)的設(shè)計采用主機輪詢從機的方式，從而有效避免了主從機數(shù)據(jù)通信沖突的問題，主機先呼叫n號從機，地址確認(rèn)之后，是n號的從機應(yīng)答并與主機進(jìn)行通信，其余從機處于等待狀態(tài)，主機接收n號從機數(shù)據(jù)，并判斷該從機是否繼續(xù)有數(shù)據(jù)發(fā)送，此時其他從機若有數(shù)據(jù)只能處于排隊等待中，不會對主機產(chǎn)生干擾，主機接收完畢后將n號從機地址減1，呼叫n-1號從機，如此反復(fù)輪詢各個從機。主機輪詢的過程是很快的，從機檢測到被測信號的時候也能得到及時的處理。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現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A，B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強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)時傳輸距離可達(dá)12 m，而用100 Kb／s速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸距離可達(dá)1．2 km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。
    實現(xiàn)RS 485串行通信只需給主機和每個從機接各接一片MAX485芯片，其接收器的輸出端RO和驅(qū)動器的輸入端DI，只需分別與單片機的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，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；在主機電子開關(guān)中使用單片機的P3．4引腳控制MAX485的和DE兩端，如圖3所示。

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    A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當(dāng)A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。
    可靠性措施如下：
    復(fù)位時，主從機都應(yīng)該處于接收狀態(tài)。
    控制端，DE的信號的有效脈寬應(yīng)該大于發(fā)送或接收一幀信號的寬度。
    同時將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，保證正常傳輸信號干凈、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現(xiàn)，主機部分程序如下：
   
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，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)送信號數(shù)據(jù)的從機編號，某一從機檢測到信號時將會顯示：
    Fault Machine is：***(001號，002號，003號……)
    1602主要引腳定義如下：
    RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。
    主機接收到某一從機發(fā)來的一級或二級信號時，將此從機的編號發(fā)送至液晶顯示出該從機的編號。主機首先對地址編號值進(jìn)行百十個位分離，然后在液晶上逐位顯示。
    百十個位分離程序如下：
   
   
    主機RS 485通信與液晶顯示電路原理圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]

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和從機電子開關(guān)兩部分。
    主機主要完成數(shù)據(jù)的接收和處理，以及將最終結(jié)果狀態(tài)顯示出來，從機電子關(guān)主要完成信號的檢測，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機，整個系統(tǒng)的搭建由一個主機和一個或多個從機電子開關(guān)組成，從機電子開關(guān)的數(shù)量可以根據(jù)實際情況的需要而定。
    因該電子開關(guān)要應(yīng)用到傳送帶位置跑偏的檢測中，從機電子開關(guān)要安裝在一個檔桿機構(gòu)(如圖4，圖5所示)中，每個檔桿機構(gòu)中內(nèi)部都有兩個行程開關(guān)，根據(jù)所要求的信號級別，分別將它們設(shè)置為一級行程開關(guān)和二級行程開關(guān)，檔桿通過凸輪機構(gòu)與行程開關(guān)相連，從機電子開關(guān)的兩個數(shù)據(jù)輸入線接到兩個行程開關(guān)上即可。

    該電子開關(guān)主要針對大中型傳送帶傳送過程中位置跑偏的檢測而設(shè)計完成，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，會通過檔桿觸動一級行程開關(guān)，產(chǎn)生一級觸發(fā)信號，并將信號傳送到從機電子開關(guān)，從機電子開關(guān)檢測到并將其發(fā)送到主機處理，主機負(fù)責(zé)顯示產(chǎn)生故障的從機編號及故障級別，以供工作人員了解到傳送帶何處產(chǎn)生一級跑偏，并對傳送帶做出相應(yīng)調(diào)整，同理傳送帶某處產(chǎn)生二級跑偏量的時候，將會由從機電子開關(guān)將二級信號發(fā)給主機顯示。
    傳送帶上的安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

4 運行狀態(tài)及結(jié)果
    當(dāng)1號從機所連接的行程開關(guān)檔桿機構(gòu)中1級行程開關(guān)被按下時，1號從機檢測到一級故障信號，與主機進(jìn)行地址確認(rèn)之后，并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，此時主機上液晶顯示器上顯示：Fault Machine is：001(故障從機編號為001)，同時發(fā)光二級管有一個顯示燈熄滅(正常狀態(tài)下兩個發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài))，同理若是2號從機檢測到故障信號時，運行結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)論
    該電子開關(guān)采用了單片機多機串行通信原理而設(shè)計，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)計的基礎(chǔ)上開發(fā)功能更強的基于RS 485總線的多機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。