RS485串行通信接口電路的總體設計

在電參數儀的設計中，數據采集由單片機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據的遠程通信），以及數據處理等工作。在工作中，單片機需要定時(shí)向上位PC機傳送大批量的采樣數據。通常，主控PC機和由單片機構成的現場(chǎng)數據采集系統相距較遠，近則幾十米，遠則上百米，并且數據傳輸通道環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常有大容量的電器（如電動(dòng)機，電焊機等）啟動(dòng)或切斷。為了保證下位機的數據能高速及時(shí)、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(shí)際應用中，由于大多數普通PC機只有常用的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(mǎi)適合PC機的RS485卡。這些附加設備的價(jià)格一般較貴，尤其是一些RS485卡具有自己獨特的驅動(dòng)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(guān)串口的WIN32通信API函數，程序員還必須熟悉RS485卡的應用函數。為了避開(kāi)采用RS485通信協(xié)議的上述問(wèn)題，我們決定自制RS485/RS232轉換器來(lái)實(shí)現單片機和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，如下圖1所示。

從圖1可看出，單片機的通信信號首先通過(guò)光隔，然后經(jīng)過(guò)RS485接口芯片，將電平信號轉換成電流環(huán)信號。經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸后，再通過(guò)另一個(gè)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(guò)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(gè)傳輸通道的兩端均有光電隔離，故無(wú)論是PC機還是單片機都不會(huì )因數據傳輸線(xiàn)上可能遭受到的高壓靜電等的干擾而出現“死機”現象。

2接口電路的具體設計

2-1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P30（RXD）和P31（TXD）的電平符合TTL/CMOS標準（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(guò)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(dòng)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

MAX490[4]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25MBPS，可實(shí)現全雙工通信。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。

2－2PC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(guò)MAX490芯片將單片機側經(jīng)遠距離傳輸的電流環(huán)信號轉換成TTL/CMOS標準

　　　　　　　　圖4PC機側RS485/RS232轉換器的實(shí)際電路（略）

　　　　　　　　　　　圖5MAX232A的內部結構

的電平信號，然后通過(guò)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電平由內部電荷泵產(chǎn)生，其內部結構如圖5所示。

在RS485/RS232轉換器的設計過(guò)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(gè)電源。實(shí)際上，如果穩壓電路安裝在單片機側，同時(shí)又將此電源直接拉至PC側的RS485/RS232轉換器中，由于電源線(xiàn)可能長(cháng)達上百米，電源線(xiàn)的線(xiàn)徑又不可能選得很粗。如此遠距離的傳輸將會(huì )導致電源電壓在PC機側有一個(gè)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(gè)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(cháng)距離傳輸至RS485/RS232轉換器，然后經(jīng)整流和穩壓，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(kāi)關(guān)電源的＋5V輸出，或者由外部穩壓電源提供。

3　通信軟件的設計

利用上述硬件通信電路，可以實(shí)現符合RS485協(xié)議的串行通信，同時(shí)又對軟件的編寫(xiě)沒(méi)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(xún)方式或串行中斷方式。在電參數測試儀中，為了保證上位機和下位機之間時(shí)序的嚴格一致，我們采用了查詢(xún)方式，這部分程序的編寫(xiě)較簡(jiǎn)單，具體可參閱文獻[1][3]。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函數完成RS232通信編程，具體可參閱文獻[2][3]。

由于數據傳輸是在強干擾的環(huán)境中進(jìn)行的，而且傳輸距離又較遠，為了保證數據能高速、準確傳輸，軟件編程時(shí)可以考慮對大批量的數據進(jìn)行分組傳送，同時(shí)對每組數據進(jìn)行和校驗，檢查其傳輸的準確性。在實(shí)際使用中，設定每組數據的數據頭為單字節0AAH，中間為256個(gè)字節的采樣數據，數據最后一個(gè)字節為和校驗結果。PC機每接收到一組數據，均要進(jìn)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（該組數據的最后一個(gè)字節）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據；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據，單片機則開(kāi)始新一輪采樣。

4　實(shí)際應用

在電參數測試儀的工作過(guò)程中，大約每隔一分鐘單片機和上位PC機之間就要經(jīng)過(guò)多次命令和數據的雙向傳遞，其數據量較大，每次約有7k字節左右。本系統單片機選用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。上位機的通信和數據處理程序采用VC＋＋6.0編寫(xiě)。單片機和PC機之間的距離約100米左右，傳輸線(xiàn)由普通的多芯電源線(xiàn)替代，且經(jīng)過(guò)有電焊機、電動(dòng)機、高壓靜電發(fā)生器等頻繁起動(dòng)的場(chǎng)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，該儀器經(jīng)過(guò)多次24小時(shí)的不間斷運行，都沒(méi)有發(fā)生過(guò)死機現象，工作一切正常。調試時(shí)，通過(guò)觀(guān)察上位PC機中設置的數據重傳計數器，發(fā)現數據重傳次數極少。

實(shí)踐證明本文設計符合RS485協(xié)議的串行通信電路，可以滿(mǎn)足高速率、高可靠、遠距離的串行通信，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。 電焊機相關(guān)文章:電焊機原理