RS485通信模式控制開關(guān)量輸入及輸出的設(shè)計及實現(xiàn)

賈婉艷，馮 凱

（1.河南金威通信技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué) 漯河工學(xué)院，河南 漯河 462000）

RS485總線是一種常見的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力，通信距離理論值可達(dá)到1200 m，支持多節(jié)點傳輸，最高傳輸速率達(dá)到10 Mbps，因此RS485總線在多節(jié)點工作系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用［1］，達(dá)到遠(yuǎn)程控制設(shè)備工作狀態(tài)的目的。

在遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)程電力控制、遠(yuǎn)程供水、智能大棚等應(yīng)用場景中，需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測、管理用戶設(shè)備，從根本上降低人力成本，提高工作效率。在這種場景中傳輸模式多用RS485通信模式、RS422通信模式［2］。本文采用單片機(jī)控制器實現(xiàn)RS485通信線路上的4路開關(guān)量輸入及4路繼電器輸出功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)包括主控制電路、電源調(diào)整電路、隔離驅(qū)動電路、通信電路等模塊（見圖1）。電路設(shè)計簡單緊湊，功耗較低［3］。軟件系統(tǒng)采用雙看門狗設(shè)計（軟件復(fù)位功能+硬件看門狗復(fù)位功能），保證程序運行出錯時89C52能及時自動復(fù)位。系統(tǒng)在設(shè)計時嵌入INT模式，用戶根據(jù)需要可以重新設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并存儲在E2PROM中。

圖1 系統(tǒng)功能模塊框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控電路模塊設(shè)計

主控芯片采用單片機(jī)89C52，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，片內(nèi)含有8k字節(jié)PEROM、256字節(jié)RAM、32位I/O口線、看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM、復(fù)位電路、3個16位定時器/計數(shù)器（T0，T1，T2）、4個外部中斷、一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)）、全雙工串行口、片內(nèi)振蕩器及時鐘電路［4，5］。工作電壓5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V 單片機(jī)），工作頻率范圍0～40MHz，工作溫度范圍-40℃～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）。與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)兼容，適用于較為復(fù)雜的控制場合。該芯片使用率高、性能穩(wěn)定，而且簡單好用，性價比較高，在工業(yè)控制產(chǎn)品中應(yīng)用較多。其外圍包括看門狗器件，用以保證程序運行出錯時能及時服務(wù)；EEPROM器件，用于存儲系統(tǒng)設(shè)置好的參數(shù)。串行EEPROM是基于I2C-BUS的存儲器件，遵循二線制協(xié)議，由于其具有價格低廉、接口方便、體積小、數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點，在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量應(yīng)用［6］。系統(tǒng)設(shè)計采用雙看門狗設(shè)計，包括模塊看門狗和軟件看門狗。模塊（如MAX813L）看門狗采用硬件復(fù)位電路，當(dāng)設(shè)備在工作環(huán)境干擾嚴(yán)重、受干擾停機(jī)時，復(fù)位電路使模塊重新復(fù)位，保證設(shè)備繼續(xù)工作。軟件看門狗通過程序監(jiān)視主芯片的工作狀態(tài)，當(dāng)看門狗定時電路啟動時，模塊發(fā)送事先設(shè)定好的數(shù)值，使程序重新運行，防止監(jiān)視對象發(fā)生意外事故［7］。雙看門狗功能設(shè)計能保證系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定和可靠。

單片機(jī)89C52［10］主控電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)89C52主控電路圖

89C52的P1端口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收并輸出4個TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，在此方案中，P1.0～P1.3是4路開關(guān)量的狀態(tài)輸入端。硬件看門狗由芯片MAX813L實現(xiàn)，在上電、瞬時掉電及程序運行出錯，以及系統(tǒng)程序運行錯誤而無法自我復(fù)位時，看門狗輸出復(fù)位信號，使89C52重新復(fù)位，程序重新運行，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。在程序中還要用軟件看門狗監(jiān)視主機(jī)的工作狀態(tài)，可根據(jù)實際情況設(shè)置定時時間，防止系統(tǒng)程序運行時出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

本方案采用EEPROM，保存系統(tǒng)的配置信息，如地址、波特率、信號類型等信息。P3.4和P3.5作為二線制串行接口，包括時鐘輸入和數(shù)據(jù)接口。EEPROM方案中AT24C02容量設(shè)計值為256Byte，實際應(yīng)用時可以根據(jù)需要靈活選擇，一個總線上最多可尋址4個4k器件，在SCL時鐘信號的上升沿將數(shù)據(jù)送入EEPROM，并在時鐘的下降沿將數(shù)據(jù)讀出［8］。89C52的第21管腳XTAL1是振蕩器反向放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，第20管腳XTAL2是89C52的振蕩器反向放大器輸出端，本方案采用外部起振方式。

本方案中89C52 P2口的P2.1～P2.4為4路繼電器輸出控制端，作為輸出口時要加上拉電阻，可以降低雜波干擾，保證端口電平的穩(wěn)定性。89C52的P2.0管腳用作RS485通信模塊的讀寫控制信號，P3.0、P3.1管腳用作與通信模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)端口［9］。

2.2 開關(guān)量輸入輸出驅(qū)動及隔離電路模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用TLP521作為隔離器件。TLP521是可控制的光電耦合器件，使開關(guān)量負(fù)載和本電路完全隔離，減少電路干擾，對主控電路起到保護(hù)和隔離作用，其集電極和發(fā)射極之間的電壓最小值55V，隔離電壓最小值2500V。具體電路如圖3所示，標(biāo)號OUTCOM為外接電源12V或24V的公共端；DIA1～DIA4是開關(guān)量輸入端，接外部開關(guān)設(shè)備，當(dāng)DIA狀態(tài)發(fā)生變化時，對應(yīng)的光耦器件內(nèi)部的發(fā)光二極管狀態(tài)也會隨之改變，導(dǎo)通或者截止，致使光耦器件的集電極管腳狀態(tài)也發(fā)生改變，即DI1～DI4電平也發(fā)生改變，輸入到89C52的對應(yīng)管腳，從而采集到信號變化，完成該路開關(guān)量的狀態(tài)的讀?。?0］。

圖3 開關(guān)量輸入輸出隔離驅(qū)動電路

開關(guān)量輸出控制繼電器電路采用74HC14、ULN2003器件驅(qū)動。74HC14是高速CMOS器件，六反向斯密特觸發(fā)器，耗電量低、速度快，對89C52輸出波進(jìn)行整形，把緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動的輸出信號，增強(qiáng)了信號的驅(qū)動能力。工業(yè)級工作溫度為-40℃～+125℃，能滿足環(huán)境要求。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，ULN2003的每一對達(dá)林頓管都串聯(lián)一個2.7KΩ的基極電阻，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點，5V供電時，輸出可達(dá)500mA/50V，適應(yīng)于要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，在此帶載4路5V A型繼電器，通過控制繼電器的關(guān)閉動作繼而控制外部開關(guān)量的開關(guān)動作。

繼電器控制電路如圖4所示。

圖4 繼電器控制圖

JDQC1是ULN2003輸出的控制信號，RL1-NO和RL1-COM接外部開關(guān)量的兩端。隨著ULN2003輸出管腳JDQC1電平的變化，繼電器內(nèi)線圈電流發(fā)生變化，在電磁感應(yīng)作用下控制繼電器的開閉狀態(tài)，從而控制開關(guān)的斷開和連通。

2.3 ADM485通信模塊設(shè)計

ADM485是一款差分線路收發(fā)器，適用于多點總線傳輸線路的高速雙向數(shù)據(jù)通信。它針對平衡數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計，符合EIA標(biāo)準(zhǔn)RS-485和RS-422。該器件內(nèi)置一個差分線路驅(qū)動器和一個差分線路接收器，驅(qū)動器和接收器均可獨立使能［11］。禁用時，輸出處于三態(tài)。ADM485采用+5V單電源供電。內(nèi)部熱關(guān)斷電路可防止總線競爭或輸出短路導(dǎo)致功耗過大。故障條件下，如果檢測到內(nèi)部驅(qū)動器電路的溫度顯著升高，此特性將強(qiáng)制驅(qū)動器輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)［12］。ADM485驅(qū)動器在禁用和關(guān)斷時處于高輸出阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)收發(fā)器不用時，可以使負(fù)載效應(yīng)降至最低。在-7V至+12V的整個共模電壓范圍內(nèi)，驅(qū)動器均可保持高阻抗輸出。所有輸入和輸出均提供ESD保護(hù)；所有驅(qū)動器輸出均有較高的源電流和吸電流能力。ADM485的開關(guān)速度極快，驅(qū)動器傳播延遲極小，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)5 Mb/s，而低偏斜則使電磁輻射（EMI）降至最低，抗共模干擾能力大大增強(qiáng)，適用于嘈雜環(huán)境中長線傳輸。

此方案中，89C52的P2.0（D/R）端口用于控制ADM485的讀寫使能信號，當(dāng)D/R信號為1時進(jìn)行讀操作，當(dāng)D/R信號為0時進(jìn)行寫操作。在每一個字節(jié)傳送之前，先要通過一個低電平起始位實現(xiàn)握手。為防止干擾信號誤觸發(fā)ADM485的1腳（接收器輸出端）產(chǎn)生負(fù)跳變，使接收端MCU進(jìn)入接收狀態(tài)，在ADM485的RXD端接上拉電阻［13］。

ADM485的第6、第7管腳即總線的A線、B線，需要在A線上加一個4.7KΩ的上拉偏置電阻，在B線上加一個4.7KΩ的下拉偏置電阻，AB線間根據(jù)線路阻抗加上匹配電阻，并連接雙向TVS二極管進(jìn)行抗浪涌沖擊、雷擊電壓保護(hù)，適應(yīng)在條件惡劣的環(huán)境下工作。RS485通信模塊電路如圖5所示。

圖5 RS485通信模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用硬件看門狗復(fù)位和軟件復(fù)位雙保險方式，確保發(fā)生干擾時程序出錯的情況下能及時復(fù)位，從而保證系統(tǒng)的正確運行［14］。系統(tǒng)還設(shè)計了INT模式，若用戶忘記了初始的配置或需要重新設(shè)置參數(shù)時，可以激活I(lǐng)NT模式，重新設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。激活I(lǐng)NT模式需要關(guān)斷電源，把INT#引出端子與GND短接，然后加電。系統(tǒng)初始狀態(tài)被強(qiáng)行設(shè)置為 Address=00，baudrate=9600，No checksum。上電復(fù)位后，所有輸出恢復(fù)為上電值，模塊可以接收主機(jī)命令來改變輸出值。

上電后，先讀取INIT（P1.5管腳）狀態(tài)，如果該管腳為1，從E2PROM里讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行單片機(jī)和外設(shè)的初始化，開始程序的正常運行。如果該管腳為0，則進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式，將參數(shù)寫進(jìn)E2PROM。系統(tǒng)初始化完成后，串口掃描接收485總線數(shù)據(jù)，按照約定協(xié)議進(jìn)行地址比對，校驗比對都正確的話進(jìn)行指令解析，執(zhí)行相應(yīng)的命令，讀取相應(yīng)通道開關(guān)量輸入（P1.0～P1.3管腳）或者控制相應(yīng)繼電器的狀態(tài)輸出（P2.1～P2.4）。上電后，所有模塊輸出恢復(fù)為默認(rèn)值，系統(tǒng)初始化后，模塊接受89C52的命令來改變輸出值［15］。

主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)運行

在電路板布線時，要合理布局，充分考慮電路的抗干擾能力。數(shù)字部分和模擬部分盡量分開布局，數(shù)字地線和模擬地線分開設(shè)置，充分考慮電磁兼容性，盡可能減小相互干擾。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)隔離電壓達(dá)到3700 V，抗浪涌電壓達(dá)到4000 V，控制繼電器吸合時間最大值為5 ms，釋放時間最大值為3 ms，寬范圍供電，供電電源：10 V～30 V DC，整機(jī)功耗1.6 W。該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程抄表、農(nóng)業(yè)灌溉用水管理系統(tǒng)中得到多次應(yīng)用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能實時讀取開關(guān)量的狀態(tài)、準(zhǔn)確控制繼電器的輸出，在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中發(fā)揮了不可替代的作用。