串行通信接口電路的總體設計

1、1RS485串行通信接口電路的總體設計 在電參數(shù)儀的設計中，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R

2、S485通信接口。因此，為了實現(xiàn)RS485協(xié)議的串行通信，必須在PC機側配置RS485/RS232轉換器，或者購買適合PC機的RS485卡。這些附加設備的價格一般較貴，尤其是一些RS485卡具有自己獨特的驅動程序，上位PC機的通信一般不能直接采用WINDOW95/98環(huán)境下有關串口的WIN32通信API函數(shù)，程序員還必須熟悉RS485卡的應用函數(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

3、芯片，將電平信號轉換成電流環(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)信號轉換成電平信號。  圖1單片機與PC機之間的RS485通信硬件接口電路的框圖(略)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接口電路的具體設計 21單片機側RS485接口電路的設計 單片機側RS485接口電路如圖2所示。 AT89C52單片機的串行通信口P30（RXD）和P31（TXD）

4、的電平符合TTL/CMOS標準（邏輯“0”的電平范圍為 0V0.8V,邏輯“1”的電平為24VVCC）,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動能力。光隔6N137的左側電源與單片機相同，右側必須采用另一組獨立的5V電源，且兩組電源不能供電。 圖2單片機側RS485接口電路 圖3MAX490的內部結構 MAX4904是MAXIM公司的RS485接口芯片，其內部結構如圖3所示。MAX490支持單電源5V工作，傳輸速率最高可達25MBPS，可實現(xiàn)全 雙工通信。其RO、DI端的邏輯“0”的電平在 0.5V0.8V之間，

5、邏輯“1”的電平在20VVCC之間。輸出電流環(huán)的電流在150A500A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。 22PC機側RS485/RS232轉換器的設計 RC機側RS485/RS232轉換器的電路如圖4所示。 該電路首先通過MAX490芯片將單片機側經(jīng)遠距離傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)信號轉換成TTL/CMOS標準  圖4PC機側RS485/RS232轉換器的實際電路（略） &#

6、160;圖5MAX232A的內部結構 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芯片轉換成 RS232電平：其中RS232電平的邏輯“0”的電平范圍為5V15V，邏輯“1”的電平范圍為5V15V。這里RS232電平轉換芯片選用MAXIM公司的MAX232A4，該芯片采用單電源(5V）供電，RS232電平由內部電荷泵產生，其內部結構如圖5所示。 在RS485/RS232轉換器的設計過程中需要特別注意的是電源的設計。單片機側和PC機側的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，同時又將此電源直接拉至

7、PC側的RS485/RS232轉換器中，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致電源電壓在PC機側有一個很大的落差，這樣，有可能造成PC機側的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變壓器輸出的交流信號經(jīng)長距離傳輸至RS485/RS232轉換器，然后經(jīng)整流和穩(wěn)壓，作為PC機側MAX490和光隔IC702的供電電源。此外，RS232和光隔左側的供電電源PCVCC可以利用PC機內部開關電源的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

8、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13。PC機側WINDOWS環(huán)境下的通信程序，可直接利用VC提供的相應于串口的API函數(shù)完成RS232 通信編程，具體可參閱文獻23。 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，設定每組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頭為單字節(jié)0AAH，中間為2

9、56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機的校驗結果和單片機的校驗結果（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110592MHz，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VC6.0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