利用RS485/RS232轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)串行通信

1、RS485串行通信接口電路的總體設(shè)計(jì)

在電參數(shù)儀的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集由單片機(jī)AT89C52負(fù)責(zé)，上位PC機(jī)主要負(fù)責(zé)通信（包括與單片機(jī)之間的串行通信和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信），以及數(shù)據(jù)處理等工作。在工作中，單片機(jī)需要定時(shí)向上位PC機(jī)傳送大批量的采樣數(shù)據(jù)。通常，主控PC機(jī)和由單片機(jī)構(gòu)成的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)，近則幾十米，遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)，電焊機(jī)等）啟動(dòng)或切斷。為了保證下位機(jī)的數(shù)據(jù)能高速及時(shí)、安全地傳送至上位PC 機(jī)，單片機(jī)和PC機(jī)之間采用RS485協(xié)議的串行通信方式較為合理。

實(shí)際應(yīng)用中，由于大多數(shù)普通PC機(jī)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(shí)現(xiàn)RS485協(xié)議的串行通信，必須在PC機(jī)側(cè)配置RS485/RS232轉(zhuǎn)換器，或者購買適合PC機(jī)的RS485卡。這些附加設(shè)備的價(jià)格一般較貴，尤其是一些RS485卡具有自己獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)程序，上位PC機(jī)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)之間的通信。

單片機(jī)和PC機(jī)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(jī)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(gè)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(jī)RS232端口相兼容的RS232電平。由于整個(gè)傳輸通道的兩端均有光電隔離，故無論是PC機(jī)還是單片機(jī)都不會(huì)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(jī)”現(xiàn)象。

2、接口電路的具體設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)側(cè)RS485接口電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)側(cè)RS485接口電路如圖2所示。

AT89C52單片機(jī)的串行通信口P3?0（RXD）和P3?1（TXD）的電平符合TTL/CMOS標(biāo)準(zhǔn)（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(hù)單片機(jī)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(dòng)能力。光隔6N137的左側(cè)電源與單片機(jī)相同，右側(cè)必須采用另一組獨(dú)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(dá)2?5MBPS，可實(shí)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(dāng)A 端電壓比B端電壓高200mV以上，RO輸出邏輯“1”，當(dāng)A端電壓比B端電壓低200mV,RO輸出邏輯“0”；當(dāng)DI為邏輯“0”，輸出Y低、Z高，當(dāng)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(jī)側(cè)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

RC機(jī)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(jī)側(cè)經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)信號轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS標(biāo)準(zhǔn)的電平信號，然后通過光隔6N137隔離，得到兩個(gè)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(jì)過程中需要特別注意的是電源的設(shè)計(jì)。單片機(jī)側(cè)和PC機(jī)側(cè)的RS485芯片理論上可共用一個(gè)電源。實(shí)際上，如果穩(wěn)壓電路安裝在單片機(jī)側(cè)，同時(shí)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(dá)上百米，電源線的線徑又不可能選得很粗。如此遠(yuǎn)距離的傳輸將會(huì)導(dǎo)致電源電壓在PC機(jī)側(cè)有一個(gè)很大的落差，這樣，有可能造成PC機(jī)側(cè)的MAX490或光隔IC702工作不正常。一個(gè)比較好的解決辦法是首先直接將單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)

利用上述硬件通信電路，可以實(shí)現(xiàn)符合RS485協(xié)議的串行通信，同時(shí)又對軟件的編寫沒有任何額外要求，因?yàn)楸倦娐犯淖兞藗鬏斖ǖ赖男盘杺鬏敺绞?。單片機(jī)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(jī)和下位機(jī)之間時(shí)序的嚴(yán)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(xiàn)[1][3]。PC機(jī)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(xiàn)[2][3]。

由于數(shù)據(jù)傳輸是在強(qiáng)干擾的環(huán)境中進(jìn)行的，而且傳輸距離又較遠(yuǎn)，為了保證數(shù)據(jù)能高速、準(zhǔn)確傳輸，軟件編程時(shí)可以考慮對大批量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組傳送，同時(shí)對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗(yàn)，檢查其傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在實(shí)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(gè)字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)為和校驗(yàn)結(jié)果。PC機(jī)每接收到一組數(shù)據(jù)，均要進(jìn)行再次和校驗(yàn)，，然后將PC機(jī)的校驗(yàn)結(jié)果和單片機(jī)的校驗(yàn)結(jié)果（該組數(shù)據(jù)的最后一個(gè)字節(jié)）相比較，若兩者不等則校驗(yàn)失敗，PC機(jī)給單片機(jī)發(fā)重傳命令，要求單片機(jī)重傳本組數(shù)據(jù)；若兩者相等則校驗(yàn)正常，PC機(jī)給單片機(jī)發(fā)確認(rèn)認(rèn)號，并準(zhǔn)備接收下一組采樣數(shù)據(jù)，單片機(jī)則開始新一輪采樣。

4、實(shí)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(jī)和上位PC機(jī)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(jī)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(jī)的通信和數(shù)據(jù)處理程序采用VC＋＋6.0編寫。單片機(jī)和PC機(jī)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(jī)、電動(dòng)機(jī)、高壓靜電發(fā)生器等頻繁起動(dòng)的場合。采用上述硬件通信電路，同時(shí)考慮編程時(shí)的軟件糾錯(cuò)，該儀器經(jīng)過多次24小時(shí)的不間斷運(yùn)行，都沒有發(fā)生過死機(jī)現(xiàn)象，工作一切正常。調(diào)試時(shí)，通過觀察上位PC機(jī)中設(shè)置的數(shù)據(jù)重傳計(jì)數(shù)器，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳次數(shù)極少。

實(shí)踐證明本文設(shè)計(jì)符合RS485協(xié)議的串行通信電路，可以滿足高速率、高可靠、遠(yuǎn)距離的串行通信，同時(shí)價(jià)格又比較便宜，不失為一種較為理想的串行通信方案。