引言

目前是通信控制領(lǐng)域的主流通信方式，數(shù)據(jù)通信、計算機(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

該系統(tǒng)的設(shè)計要求主機(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，主機(jī)能夠接收從機(jī)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(jī)可以實現(xiàn)長距離通信。主從機(jī)采用的主要核心芯片均為，考慮單片機(jī)性能及實際運行環(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（從機(jī)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(jī)。

（3）通過液晶顯示發(fā)送信號的從機(jī)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(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，所使用的器件為1602LCD，RS 485串行通信模塊用來實現(xiàn)與從機(jī)之間的遠(yuǎn)距離串行通信，使用MAX485芯片來實現(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)計實現(xiàn)原理

主從機(jī)均采用的是AT89S51單片機(jī)，它是一個低功耗，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只讀程序存儲器。單片機(jī)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(jī)均使用單片機(jī)2個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(jī)發(fā)送信號的級別。

從機(jī)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(jī)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(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號從機(jī)時，與n號從機(jī)進(jìn)行地址確認(rèn)，并判斷n號從機(jī)是否有信號產(chǎn)生，如果沒有，主機(jī)將查詢n-1號從機(jī)，如果有信號產(chǎn)生，主機(jī)接收到信號并存儲該從機(jī)的主機(jī)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(jī)繼續(xù)有信號產(chǎn)生，主機(jī)繼續(xù)接收，直到接收完畢，主機(jī)將查詢n-2號從機(jī)，如此往復(fù)。從機(jī)的個數(shù)可以在主機(jī)程序中對從機(jī)個數(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)計核心主要通過單片機(jī)的多機(jī)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(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(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，核對正確，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。

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)知道哪號從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)首先發(fā)送n號從機(jī)地址編號#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，地址不是#OFFH的從機(jī)將繼續(xù)等待主機(jī)的呼叫，核對正確的從機(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號從機(jī)的地址。地址確認(rèn)正確之后，主機(jī)與n號從機(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

一個主機(jī)與多個從機(jī)進(jìn)行串行通信的時候，如果當(dāng)某一從機(jī)有數(shù)據(jù)時向主機(jī)發(fā)送，這時可能出現(xiàn)兩個，三個或者更多從機(jī)同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)，需要同時向主機(jī)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(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號從機(jī)，地址確認(rèn)之后，是n號的從機(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，此時其他從機(jī)若有數(shù)據(jù)只能處于排隊等待中，不會對主機(jī)產(chǎn)生干擾，主機(jī)接收完畢后將n號從機(jī)地址減1，呼叫n-1號從機(jī)，如此反復(fù)輪詢各個從機(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(jī)和每個從機(jī)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(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，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(jī)的一個管腳控制這兩個引腳即可；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(jī)連接時接線非常簡

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(jī)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(jī)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(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，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(jī)編號，某一從機(jī)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(jī)接收到某一從機(jī)發(fā)來的一級或二級信號時，將此從機(jī)的編號發(fā)送至液晶顯示出該從機(jī)的編號。主機(jī)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(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)主要完成信號的檢測，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，整個系統(tǒng)的搭建由一個主機(jī)和一個或多個從機(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)要安裝在一個檔桿機(jī)構(gòu)（如圖4，圖5所示）中，每個檔桿機(jī)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(jī)構(gòu)與行程開關(guān)相連，從機(jī)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(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(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(jī)電子開關(guān)將二級信號發(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 運行狀態(tài)及結(jié)果

當(dāng)1號從機(jī)所連接的行程開關(guān)檔桿機(jī)構(gòu)中1級行程開關(guān)被按下時，1號從機(jī)檢測到一級故障信號，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)，此時主機(jī)上液晶顯示器上顯示：Fault Machine is：001（故障從機(jī)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(jī)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(jī)多機(jī)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(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)計的基礎(chǔ)上開發(fā)功能更強的基于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。