多通道I/O裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

【摘 要】由于目前市場上普遍使用的多I/O裝置端口數(shù)量有限，且端口模式固定，這與功能越來越強(qiáng)大的工業(yè)控制系統(tǒng)相矛盾。本文主要針對工業(yè)控制領(lǐng)域低成本、高可靠性、高穩(wěn)定性的要求，設(shè)計了一套基于STC12C5A60S2單片機(jī)的主從式多通道I/O裝置。該裝置由主板和分板組成，主板負(fù)責(zé)把分板傳來的信息送給上位機(jī)，同時將上位機(jī)發(fā)來的指令傳給分板。分板只負(fù)責(zé)接收I/O端口信息，并將這些信息傳給主板，上位機(jī)不直接與分板通信。I/O端口的數(shù)量可以根據(jù)實際需要進(jìn)行擴(kuò)展，I/O端口模式通過程序可以任意設(shè)定。

【關(guān)鍵詞】多通道 I/O端口 主板 分板

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)控制系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，連接的外設(shè)也越來越多。這些外設(shè)通過I/O裝置與計算機(jī)之間連接，計算機(jī)通過發(fā)送指令給I/O裝置來完成對其他設(shè)備的控制，I/O裝置起到橋梁的作用。因此要求I/O裝置的端口數(shù)量應(yīng)盡量多、輸入輸出端口能靈活配置、有較強(qiáng)的抗干擾能力、有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口、性價比高。

1 多I/O裝置的現(xiàn)狀

目前市場上普遍采用多I/O卡或多I/0模塊。

它們具有體積小巧、攜帶方便、工作溫度范圍寬、功耗低等優(yōu)點，但也有不容忽視的缺點：

（1）端口數(shù)量不多，大部分產(chǎn)品為8、16、32個端口。若工業(yè)控制現(xiàn)場需要更多的I/O口，則只能通過組網(wǎng)來控制，這將使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時也會使系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加。（2）I/O端口模式固定，不能靈活配置。（3）價格昂貴，性價比不高。

為了解決上述問題，設(shè)計了一款端口數(shù)量能擴(kuò)展、且輸入輸出端口能靈活配置的多通道I/O裝置。它包括主板和分板，通過程序進(jìn)行控制。

2 多通道I/O裝置的硬件設(shè)計

考慮到STC12C5A60S2單片機(jī)自身的眾多優(yōu)點，該裝置采用它作為主控芯片。但由于它只有40個I/O，如果端口數(shù)量成百上千的話，一片單片機(jī)顯而易見滿足不了。若采用多個單片機(jī)分開單獨控制，則每個單片機(jī)都要與上位機(jī)通信，這樣通信效率太低，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基于以上原因我們選擇了一種主從式的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如圖1所示（以176個端口數(shù)量為例進(jìn)行說明）。

圖1 多通道I/O裝置結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)由1塊主板和11塊分板構(gòu)成，主板負(fù)責(zé)與上位機(jī)、分板通信，分板負(fù)責(zé)接收I/O端口信息，再將信息發(fā)送給主板。由于上位機(jī)只需與主板單獨通信，而無需理會分板，通信效率得到很大提升。

2.1 主板

主板主要包括RS485通信電路、E2PROM擴(kuò)展電路和地址選擇電路，主板主要起到一個通信的作用。

2.2 分板

分板主要包括I/O模塊電路、DA輸出電路、分板地址選擇電路、通信隔離保護(hù)電路。每一個多路I/O裝置包括11個分板，每一個分板電路都是一樣的，通過分板地址選擇電路來設(shè)定分板的地址。

3 多通道I/O裝置的軟件設(shè)計

多通道I/O裝置的軟件設(shè)計以Keil C51為軟件開發(fā)平臺，分為主板程序和分板程序。主板程序主要完成和上位機(jī)、分板的通信。分板程序完成I/O口的輸入和輸出模式選擇以及和主板的通信。

3.1 主板程序設(shè)計

主板程序主要完成和上位機(jī)、分板的通信以及對分板的每個I/O口功能進(jìn)行配置。主要包括主板主程序設(shè)計、I/O口配置程序設(shè)計、主板串口初始化程序、主板串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序、主板接受分板數(shù)據(jù)程序等。

3.1.1 主板主程序設(shè)計

多通道I/O裝置的主板主程序主要是完成通信功能，包括和上位機(jī)、分板通信。主板上電后初始化串口1和串口2，然后清空接受數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，接著發(fā)送分板I/O口模式配置信息，最后接受和解析上位機(jī)發(fā)送來的指令。

3.1.2 I/O口配置程序設(shè)計

通過主板程序可以配置每個I/O口為輸入或輸出端口，當(dāng)作為輸入端口時可以作為開關(guān)按鍵和計數(shù)按鍵。配置表信息以一個二維數(shù)組的形式在主程序中建立。具體代碼如下：

uchar code Tab[11][33]={

{0x01，0x03，0x04，0x01，0x02，0x03，0x04，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，

//板1端口模式選擇 0x00，0x00，0x01，0x01，0x02，0x02，0x03，0x03，0x04，0x04，0x05，0x05，0x06，0x06，0x07，0x07}， //板1關(guān)聯(lián)通道選擇

{0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x03，0x04，0x03，0x04，0x01，0x02，0x01，0x02，

//板2端口模式選擇 0x00，0x00，0x01，0x01，0x02，0x02，0x03，0x03，0x04，0x04，0x05，0x05，0x06，0x06，0x07，0x07}

//板2關(guān)聯(lián)通道選擇

……

{0x0b，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，

//板11端口模式選擇 0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00}}； //板11關(guān)聯(lián)通道選擇

端口模式選擇表示定義每一個端口的功能，功能碼與其對應(yīng)的功能如表1所示。

表1 配置表功能碼對應(yīng)的功能

功能碼 對應(yīng)的功能

0x00 默認(rèn)輸出

0x01 輸入（開）

0x02 輸入（關(guān)）

0x03 輸入（計數(shù)加）

0x04 輸入（計數(shù)減）

3.1.3 主板串口初始化程序

由于主板既要與上位機(jī)通信，又要與分板通信，所以它有兩個串口，串口1與分板通信，串口2與上位機(jī)通信。每個串行口可以同時發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。由于它們通信時不會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，可以共用一個地址碼。

3.2 分板程序設(shè)計

分板負(fù)責(zé)采集各個I/O端口的信息，并將采集的信息發(fā)送給主板，同時完成主板發(fā)送的命令。每個分板的程序都是完全相同的，通過撥碼開關(guān)設(shè)定每個分板的地址。

分板程序主要包括分板I/O口模式選擇程序、分板PWM程序設(shè)計、與主板通信程序等。

（1）分板I/O口模式選擇程序。分板根據(jù)主板發(fā)來的I/O配置信息后確定每個I/O口模式，包括開關(guān)量輸入模式、按鍵計數(shù)輸入模式和輸出模式。（2）分板PWM程序設(shè)計。每個分板帶有一個DA通道，采用STC12C5A60S2單片機(jī)的兩路PWM實現(xiàn)DA輸出。（3）與主板通信程序。分板通過主板接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)，每塊板根據(jù)自己的地址，獲取自己板的I/O配置命令，同時分板將I/O的信息發(fā)送給主板，由主板傳給上位機(jī)。具體程序如下：

void RX1_Process（）{ uint i； uint R_addr； R_addr=Config_addr（）； if（RX1_Over==1）

{ if（k==363） { if（RX1_Buffer[R_addr]==slave）

{ for（i=R_addr+1；i

{ RX_flag=1； k=0； //led=！led； } else { RX1_CL0（）； } } else if（k==1）

{ Master_ask_flag=1； //k=0； } else { RX1_CL0（）； } RX1_Over=0； }}

4 系統(tǒng)調(diào)試

將研制的主板、分板通過RS485線與PC機(jī)相連，下載程序，用串口調(diào)試助手運行測試。經(jīng)測試證明該裝置能通過程序任意配置各端口為輸入或輸出模式，滿足設(shè)計需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鐵軍，謝春萍.PC機(jī)與RS485總線多機(jī)串行通信的軟硬件設(shè)計.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007.

[2]李巖.工業(yè)控制現(xiàn)場總線技術(shù).技術(shù)與市場，2011.

[3]李陽春.自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應(yīng)用.中國科技投資，2013.

作者簡介：段春艷（1979—）湖南郴州人，女，漢族，碩士，湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：電子技術(shù).