摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于RS485串行總線的集散式測(cè)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)控制器部分組成：上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、繼電器陣列模塊。RS-485作為一種硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉的通信方式，實(shí)現(xiàn)了這些模塊的統(tǒng)一協(xié)調(diào)通信，實(shí)現(xiàn)一主（PC機(jī)）多從（多個(gè)PIC16F877子系統(tǒng)）的集散式測(cè)控系統(tǒng)。 關(guān)鍵字：測(cè)控系統(tǒng);RS-485;串行線路網(wǎng)際協(xié)議 1 引言 　　RS-485由電子工業(yè)協(xié)EIA（Electronics Industry Association）于1983年制定。它具有了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為T(mén)IA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。 　　RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。其傳輸時(shí)的電氣協(xié)議規(guī)定：當(dāng)A線的電壓低于B線時(shí)，傳送的是信號(hào)1，當(dāng)A線的電壓高于B線時(shí)，傳送的是信號(hào)0。A線和B線能承受的共模信號(hào)為-7V～+12V，這里講的共模信號(hào)是指A線或B線對(duì)地的電壓。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送器能夠直接驅(qū)動(dòng)幾個(gè)接收器，且發(fā)送器可以被關(guān)閉使其輸出端變成高阻，因此只需2條連線既可實(shí)現(xiàn)一個(gè)半雙工的通信網(wǎng)絡(luò)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。 2 硬件電路和通信時(shí)序 　　由RS-485組成單主機(jī)-多從機(jī)的集散式控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 RS-485總線的結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　對(duì)于單片機(jī)異步通信，除了直接連接TX和RX端外，不同于RS-232通信協(xié)議，RS-485一定要用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送方向的控制。用RS-485協(xié)議組成的主從通信方式中，所有的通信由一個(gè)主機(jī)掌控，其它所有從機(jī)平時(shí)處于接收模式，一旦某一個(gè)從機(jī)被主機(jī)呼叫，就將其通信狀態(tài)改成為發(fā)送模式，待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后又轉(zhuǎn)為接收模式。系統(tǒng)硬件連接電路原理圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)硬件連接原理圖[/align] 　　2.1上位機(jī)主控端 　　由于上位機(jī)上只有傳統(tǒng)的9針D型串口，要和多個(gè)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)組成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，需要將RS-232通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，RS-485協(xié)議方式，需要用到MAX232和MAX485芯片各一塊，其電路原理圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 RS-232到RS-485的電平轉(zhuǎn)換圖[/align] 　　RS-232-485轉(zhuǎn)換器主要包括了電源、RS-232電平轉(zhuǎn)換、RS-485電平轉(zhuǎn)換三部分。該電路的RS-232電平轉(zhuǎn)換電路使用了市場(chǎng)上常見(jiàn)的MAX232集成電路，RS-485電平轉(zhuǎn)換電路采用了MAX485集成電路。為了使用方便，電源部分設(shè)計(jì)成無(wú)源方式，整個(gè)電路的供電直接從PC機(jī)的RS232接口中的DTR（4腳）和RTS（7腳）取出。PC串口每根線可以提供大約9mA的電流，因此兩根線提供的電流就足夠供給本電路使用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本電路只使用其中一條線也能夠正常工作。使用本電路需注意PC程序必須使串口的DTR和RTS輸出高電平，經(jīng)過(guò)D3穩(wěn)壓后得到VCC，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，VCC電壓大約在4.7V左右。因此，電路中要說(shuō)D3起的作用是穩(wěn)壓和限壓功能。 　　MAX485是通過(guò)兩個(gè)引腳RE（2腳）和DE（3腳）來(lái)控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。當(dāng)RE為低電平時(shí)，MAX485數(shù)據(jù)輸入有效;當(dāng)DE為高電平時(shí)，MAX485數(shù)據(jù)輸出有效。在半雙工使用中，通?？梢詫⑦@兩個(gè)腳直接相連，然后由PC或者單片機(jī)輸出的高低電平就可以讓MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了。由于本電路DTR和RTS都用于了電路供電，因此使用TX線和MAX232的另外一個(gè)通道及Ql來(lái)控制MAX485的狀態(tài)切換。平時(shí)MAX232的9腳輸出高電平，經(jīng)Ql倒相后，使MAX485的RE和DE為低電平而處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MAX232的9腳輸出低電平，經(jīng)Ql倒相后，使MAX485的RE和DE為高電平而處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。 　　2.2 下位機(jī)從動(dòng)端 　　PIC16F877單片機(jī)具有一個(gè)通用同步異步接收發(fā)送器USART，又名串行通訊接口（SCI），可工作于全雙工異步工作模式和半雙工同步工作模式，它是一種利用PORTC口的RC6和RC7兩個(gè)引腳作為通訊的兩線制串行通訊接口。為了把PORTC口的RC6和RC7兩個(gè)引腳分別設(shè)置成串行通訊接口的發(fā)送（TX）腳和接收（RX）腳，必須要把USART的接收狀態(tài)和控制寄存器TCSTA的bit7（SPEN）位和TRISC寄存器的bit7置1，把TRISC寄存器的bit6置0。為了使USART分別工作于接收或發(fā)送狀態(tài)，就必須設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)寄存器和控制寄存器。 　　USART發(fā)送器和接收器在功能上是完全獨(dú)立的，要使USART工作在異步通訊方式，它們所用的數(shù)據(jù)格式和波特率就必須是相同的。這里使用常用的格式：波特率9600，無(wú)校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。 　　在編寫(xiě)程序時(shí)首先要設(shè)置好USART異步通訊模塊工作模式及相關(guān)寄存器，主要有以下模塊寄存器：TXSTA（數(shù)據(jù)發(fā)送控制及狀態(tài)寄存器），RCSTA（數(shù)據(jù)接收控制及狀態(tài)寄存器），SPBRG（波特率控制寄存器），INTCON、PIEI、PIRI（相關(guān)的中斷控制寄存器），TXREG（串行數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器），TCTEG（串行數(shù)據(jù)接收寄存器）。 　　在PIC單片機(jī)中，決定USART通信波特率高低的，只有SPBRG寄存器和TXSTA寄存器中的BGRH位，不占用任何其它定時(shí)器資源。波特率發(fā)生器的工作時(shí)鐘取自于單片機(jī)主振蕩器的振蕩頻率輸出，通過(guò)設(shè)置SPBRG寄存器和BGRH控制位對(duì)振蕩頻率分頻，最后產(chǎn)生所需的波特率值。 　　當(dāng)BRGH=0時(shí)，為低速波特率發(fā)生方式;BRGH=1則產(chǎn)生高速波特率。這里使用高速波特率，因?yàn)檫@樣可以減少與標(biāo)準(zhǔn)波特率值的誤差。異步通信告訴波特率的計(jì)算方法如下：若單片機(jī)的工作振蕩頻率為fosc,，SPBRG寄存器值為X，則高速波特率的計(jì)算公式為： 　　（1） 　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們一般是先選定需要得到的波特率，然后計(jì)算SPBRG的設(shè)定值X，變換式（1），即得： 　　（2） 　　異步通信波特率設(shè)定時(shí)得注意事項(xiàng)：當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)波特率時(shí)，如果一味追求一步通信時(shí)波特率的準(zhǔn)確度，那就應(yīng)該選擇11.0592MHz作為單片機(jī)的工作振蕩頻率。但其實(shí)大可不必如此計(jì)較。異步通信允許波特率存在一定的偏差，只要偏差值在士3%之內(nèi)就可以保證正常通信，所以對(duì)于常用的1200bps～9600bps波特率的設(shè)定，可選的振蕩頻率可以有很多種，用戶完全可以根據(jù)自己所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其他功能要求而兼顧選擇振蕩頻率。使得單片機(jī)的振蕩頻率越低，功耗就越小，系統(tǒng)抗干擾能力也越強(qiáng)。另外，對(duì)于所選的波特率如果既可以用低速方式又可以用高速方式時(shí)，在程序中應(yīng)盡量選擇高速方式，這樣得到的實(shí)際波特率誤差相對(duì)較小。 　　2.3通信時(shí)序 　　由于RS-485通信是一種半雙工通信，發(fā)送和接受共用同一物理通道，在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單片機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，因此要求應(yīng)答的單片機(jī)必須在偵聽(tīng)到總線上呼叫信號(hào)己經(jīng)發(fā)送完畢，并且在沒(méi)有其他單片機(jī)應(yīng)答信號(hào)的情況下才能應(yīng)答。如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通信癱瘓，無(wú)法正常工作。上位機(jī)與下位機(jī)之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，怎么提高通信的效率和可靠性，以及對(duì)通信過(guò)程中的故障處理，幀格式的約定，都需要一套詳盡的通信協(xié)議。 　　由于RS-485標(biāo)準(zhǔn)只制定了物理層電氣標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上層通信協(xié)議沒(méi)有規(guī)定，這給設(shè)計(jì)者提供了很大的靈活性。一套完整的通信協(xié)議既要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完備，又要求具有可擴(kuò)充性與兼容性，并且盡量標(biāo)準(zhǔn)化。 3 報(bào)文通信時(shí)的簡(jiǎn)單協(xié)議 　　SLIP（Serial Line Intemet Protocol）協(xié)議是串行線路網(wǎng)際協(xié)議，它是最早的、也是僅有的兩個(gè)串行IP協(xié)議之一。它實(shí)現(xiàn)了在串行通信線路上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議及其應(yīng)用服務(wù)的功能，為用戶上網(wǎng)提供了撥號(hào)IP模式。這里由它派生出改進(jìn)協(xié)議： 　　（1）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的報(bào)文組裝 　　● 取一個(gè)關(guān)鍵字0x55，一個(gè)報(bào)文的傳輸以0x55為引導(dǎo)，中間可以有任意多的字節(jié)數(shù)，最后以0xAA結(jié)束一個(gè)報(bào)文。關(guān)鍵字0x55和0xAA不參與檢驗(yàn)和運(yùn)算。 　　● 如果傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)中含有0x55，則將其替換成0xFF+0x05，求校驗(yàn)和時(shí)仍按一個(gè)0x55計(jì)算。 　　● 如果傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)中含有0xAA，則將其替換成0xFF+0x0A，求校驗(yàn)和時(shí)仍按一個(gè)0xAA計(jì)算。 　　● 如果傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)中含有0xFF，則將其替換成0xFF+0x00，求校驗(yàn)和時(shí)仍按一個(gè)0xFF計(jì)算。 　　● 其余數(shù)據(jù)原樣發(fā)送。 　　例如：當(dāng)有0x55、，0x5A，0xAA，0xAS，0xFF這5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，加上它們的算術(shù)校驗(yàn)和0xFD，原始數(shù)據(jù)總共6個(gè)字節(jié)。按上述方法整合成的一個(gè)報(bào)文為：0x55，0xFF，0x05，0x5A，0xFF，0x0A，0xAS，0xFF，0x00，0xFD，0xFF，總共11個(gè)字節(jié)。 　?。?）接收數(shù)據(jù)時(shí)的報(bào)文解讀 　　接受方將接收所有的數(shù)據(jù)并存入數(shù)組，主程序從數(shù)組中逐個(gè)取出數(shù)據(jù)并進(jìn)行解讀，其過(guò)程如下： 　　● 等待出現(xiàn)第一個(gè)0x55，以判斷一個(gè)數(shù)據(jù)包的開(kāi)始。一旦讀到0x55，立即進(jìn)行一個(gè)報(bào)文接收的初始化工作，包括數(shù)組單元清0，字節(jié)計(jì)數(shù)器清0等工作。 　　● 從隊(duì)列中讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，如果不是0x55、0xAA或0xFF，則直接將數(shù)據(jù)存入數(shù)組。 　　● 如果讀到0xFF，則繼續(xù)讀其下一個(gè)數(shù)據(jù)，若是0x05，則替換回原始數(shù)據(jù)0x55;若是0x0A，則替換回原始數(shù)據(jù)xAA，若是0x00，則替換回原始數(shù)據(jù)0xFF。若都不是，則數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。 　　● 當(dāng)讀到xAA時(shí)，一個(gè)報(bào)文結(jié)束，關(guān)串口接收中斷，串口中斷流程圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 接收數(shù)據(jù)幀時(shí)的串口中斷流程圖[/align] 4 結(jié)論 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在多MCU之間中長(zhǎng)距離通信的諸多方案中，RS-485因硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文完成了基于RS-485的單主機(jī)一多從機(jī)的集散式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括上位機(jī)主控端與下位機(jī)從動(dòng)端，并詳細(xì)分析了其通信時(shí)序。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 張明峰編著.PIC單片機(jī)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2004 　　[2] 曹祁，王曉萍.Modbus協(xié)議在數(shù)據(jù)采集儀中的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程.2004，21（6）：49-50 　　[3] 劉舉平，熊國(guó)良.便攜式JARC-1000型或門(mén)動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀[J].鐵道通信信號(hào).2006（2）：23-25 　　[4] 莊致，郭勝.基于RS485總線的串口令牌環(huán)通信的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，4-1：225-227 　　基于RS485的總線集散式測(cè)控系統(tǒng)的研究