基于RS485總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊的構(gòu)建設(shè)計

蔣雪昀

（青島工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266300）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷向信息化和規(guī)?；姆较蛑饾u發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)需要采集的控制信息越來越多，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的速度和精度要求也越來越高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法無法滿足在實際中的要求，作為應(yīng)用新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)的單片機(jī)應(yīng)運而生。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，搭建可靠性高，成本低廉，部署快速的數(shù)據(jù)采集模塊就顯得很有必要。復(fù)雜電磁環(huán)境，須使用有較高抗電磁輻射干擾能力的模塊。總線傳輸模塊RS485 由于具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力而被發(fā)現(xiàn)和使用。基于該模塊構(gòu)建的數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)，也就具有了較好的抗電磁干擾能力，呈現(xiàn)出可靠的穩(wěn)定性[1]。

2 設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)的工作原理

原理：由于RS485 總線具有平衡差分傳輸?shù)奶匦?，其抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，具有很強(qiáng)的級聯(lián)能力。它可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程多站的通信，成本低，組網(wǎng)方便，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。這里的上位機(jī)選擇“組態(tài)王”，下位機(jī)選擇芯片與單片機(jī)?；赗S485 總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊的連接圖如圖1所示。

圖1 基于RS485 總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊的連接圖

A/D 轉(zhuǎn)換模塊由單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)讀取A/D 轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)，并通過RS485 總線將數(shù)據(jù)傳輸至組態(tài)王。工作時，模塊作為從設(shè)備，等待組態(tài)王發(fā)送數(shù)據(jù)查詢命令，命令中包括數(shù)據(jù)類型及所通信的設(shè)備地址，單片機(jī)與程序內(nèi)部中的地址相比較，若相同，則建立點對點的連接，通過485 接口電路，將TTL 電平轉(zhuǎn)化為RS485 電平進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

通過使用RS485 總線，可以使其進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊總體結(jié)構(gòu)圖

由圖2可以看出，系統(tǒng)主電路采用的是以AT89C52 為核心，以ADC0808 作為模擬量采集端口，MAX487 芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485 電平。傳感器檢測到的物理量經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V 的標(biāo)準(zhǔn)信號、由A/D 采樣后將數(shù)字量傳送到單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)根據(jù)與上位機(jī)通信協(xié)議來傳輸送數(shù)據(jù)，并把測量數(shù)據(jù)傳送到組態(tài)王從而實現(xiàn)實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及資源分配

本設(shè)計中A/D 轉(zhuǎn)換模塊，需要8 個IO 口，3 位數(shù)據(jù)地址選擇控制端A、B、C，A/D 轉(zhuǎn)換采用循環(huán)查詢轉(zhuǎn)換方式，需要串行通信接口。單片機(jī)AT89C52 系統(tǒng)的資源完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的資源要求，所以設(shè)計中單片機(jī)采用AT89C52。

3.1.1 單片機(jī)的微結(jié)構(gòu)

AT89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括數(shù)個晶體振蕩器、回（復(fù)）位電路，開關(guān)電路，其中晶振方式采用內(nèi)部時鐘方式，外接石英晶體振蕩器，接電容C1 和C2 分別為30 pF，人工復(fù)位方式為按鍵復(fù)位，即單片機(jī)復(fù)位端RST 通過100 Ω 的電阻與VCC電源連接，按下開關(guān)后RST 變高，開關(guān)彈起后RST 端經(jīng)1 kΩ電阻后接地，從而實現(xiàn)復(fù)位[2]。具體連接如圖3所示。

圖3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖

在圖3中，晶體振蕩器X1 的頻率為11.059 2 MHz，選用這個晶振頻率是為了產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)的波特率發(fā)生頻率為11.059 2 MHz。電阻R2 和C3 電容的電路組成單片機(jī)的上電復(fù)位電路。在單片機(jī)通電的過程中，R2 和C3 在上電時產(chǎn)生一個負(fù)脈沖通過RST 引腳復(fù)位。復(fù)位時復(fù)位信號要使用大于2 個機(jī)器周期的高電平，R2 和C3 分別是100 Ω 和22 uF，滿足時鐘寬度要求，按鍵用于人工復(fù)位。EA 為1 時，CPU 訪問內(nèi)部程序存儲器。

3.1.2 單片機(jī)的資源分配

對于數(shù)據(jù)采集模塊，需要一個串口進(jìn)行通信，需要定時器來產(chǎn)生相應(yīng)的波特率，需要8 位數(shù)據(jù)輸出端AD0～AD7，3位數(shù)據(jù)地址選擇控制端A、B、C，地址鎖存允許ALE 經(jīng)分頻后輸給ADC0808 作為時鐘信號，AT89C52 的資源完全可以滿足要求。

3.2 A/D 轉(zhuǎn)化模塊的硬件設(shè)計

3.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換器原理

ADC0808 是CMOS 單片型逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ADC0808 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

首先輸入3 位地址，并拉高ALE，將地址鎖入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼后選通8 路模擬輸入之一到A/D 轉(zhuǎn)換器。START 接收到上升沿時將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿便啟動A/D 轉(zhuǎn)換，之后EOC 被拉低，說明A/D 轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。A/D 轉(zhuǎn)換完成之后，EOC 被拉高，說明A/D 轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，數(shù)據(jù)已存入內(nèi)部的鎖存器，需等待三態(tài)門打開才會輸出數(shù)據(jù)，這個信號可以作為中斷申請[3]。當(dāng)OE 輸入“1”時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。

3.2.2 轉(zhuǎn)換芯片硬件連接

圖5為ADC0808 連接圖。

圖5 ADC0808 連接圖

由于ADC0808 可以與AT89C52 單片機(jī)直接相連。初始化時，使START 和OE 信號全為低電平。轉(zhuǎn)換通道的地址要連接到ADD A、ADD B、ADD C 端口上。當(dāng)要開始轉(zhuǎn)換時，先將地址輸出到ADC0808 的ABC 端，再將ALE 拉高，鎖定地址，START 接收到一個正脈沖，啟動A/D 轉(zhuǎn)換。啟動轉(zhuǎn)換后的一段時間，單片機(jī)去讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)送到上位機(jī)，完成一次數(shù)據(jù)采集。ALE 輸出頻率為晶振的1/6，約為1.9 MHz，再經(jīng)過四分頻電路后可以得到480 kHz 的脈沖，可以滿足ADC0808 的工作要求。模擬信號輸入通道的選擇與地址選擇輸入端的對應(yīng)為：通道IN0 對應(yīng)輸入地址ADD A:0（字節(jié)）,ADD B:0（字節(jié)）,ADD C:0（字節(jié)）；通道IN1 對應(yīng)輸入地址ADD A:1（字節(jié)）,ADD B:0（字節(jié)）,ADD C:0（字節(jié)）；通道IN2 對應(yīng)輸入地址ADD A:0（字節(jié)）,ADD B（字節(jié)）:1,ADD C:0（字節(jié)）；通道IN3對應(yīng)輸入地址ADD A（字節(jié)）:1,ADD B:1（字節(jié)）,ADD C:0（字節(jié)）；通道IN4 對應(yīng)輸入地址ADD A:0（字節(jié)）,ADD B:0（字節(jié)）,ADD C:1（字節(jié)）；通道IN5 對應(yīng)輸入地址ADD A:1（字節(jié)）,ADD B:0（字節(jié)）,ADD C:1（字節(jié)）；通道IN6 對應(yīng)輸入地址ADD A:0（字節(jié)）,ADD B:1（字節(jié)）,ADD C:1（字節(jié)）；通道IN7 對應(yīng)輸入地址ADD A:1（字節(jié)）,ADD B:1（字節(jié)）,ADD C:1（字節(jié)）。

3.3 通訊接口

3.3.1 RS485 簡介

采用差分信號負(fù)邏輯，邏輯低電平以兩線間的電壓差為+2 V～+6 V 表示。邏輯高電平以兩線間的電壓差為-2 V～-6 V表示。RS-232-C 比接口信號電平高，就不易損壞接口電路的芯片，RS-485 接口是采用平衡驅(qū)動器和差分，接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。連接RS-485 通信鏈路時用一對雙絞線將各個接口的A、B 端連接起來[4]。

3.3.2 RS485 電平與TTL 電平的轉(zhuǎn)換

在RS485 中規(guī)定：接口兩端（設(shè)為A、B）的電壓差高于+2V 時為邏輯1，低于-2 V 伏時為邏輯0。工作電源為+5 V，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式的MAX487 完成將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS485 電平的功能。MAX487 引腳結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 MAX487 引腳結(jié)構(gòu)

從圖6中能看出MAX487 的內(nèi)部是由驅(qū)動器和接收器組成的。與單片機(jī)連接時只需RO 和DI 分別與單片機(jī)的RXD 和TXD 相連即可，RO 是接收器的輸出，DI 是驅(qū)動器的輸入端，/RE 是接收使能端DE 是發(fā)送使能端，A 端和B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端。同時，A 和B 端加上阻值約為120 Ω 的匹配電阻。單片機(jī)與芯片連接圖見圖7。

圖7 單片機(jī)與MAX487 連接圖

4 軟件設(shè)計

程序主體主要分3 個部分：命令接收部分、命令分析部分以及A/D 轉(zhuǎn)換部分。其中通信程序中的接收部分的優(yōu)先級最高，A/D 轉(zhuǎn)換部分優(yōu)先級最低。其總體流程如圖8所示。

圖8 總體流程圖

4.1 單片機(jī)的串口設(shè)置

為了支持RS-485 通信，需要對單片機(jī)的串行口進(jìn)行設(shè)置。通信串行口的工作由串行口控制寄存器SCON 和電源管理寄存器PCON 控制。

串行口控制寄存器SCON 用以設(shè)定串行口的工作方式、多級通信控制、接收/發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送/接受中斷狀態(tài)。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)是由10 位二進(jìn)制數(shù)組成的，所以選擇串行口工作方式1，即SM0、SM1 設(shè)置為“01”，波特率由單片機(jī)定時器設(shè)置，單片機(jī)時鐘晶振選為11.059 2 MHz，波特率選為19 200 bit/s，所以設(shè)置SMOD=0，RCAP2H=0xff；RCAP2L=0xee[5]。

串口初始化程序如下：

void serial_init () {

ctrl=0;

SCON= 0x50;

C_T2=0;

RCLK=1;

TCLK=1;

TMOD=0x20;

RCAP2H=0xff;

RCAP2L=0xee;

TR2=1;/*enable Timer2 run*/

ES=1; REN=1; EA=1; SM2=1; /*SM2=1 時收到的第9 位為1 才置位RI 標(biāo)志*/

}

4.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊程序的設(shè)計

對于A/D 轉(zhuǎn)換模塊，當(dāng)要對其讀取數(shù)據(jù)時，先將ADC0808 的START 和ALE 引腳拉低，此時可以將通道選擇地址輸入ADC0808 的ABC 地址端口。流程見圖9。

圖9 A/D 轉(zhuǎn)換流程圖

對應(yīng)程序如下：

start=0; //使0808 復(fù)位

oe=0; //數(shù)據(jù)三態(tài)門不允許輸出

adca=0;adcb=0;adcc=0;start=1;//鎖定地址

start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[1]=P0;//啟動AD 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放入P0

for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0; //復(fù)位，準(zhǔn)備下次轉(zhuǎn)換

adca=1;adcb=0;adcc=0;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[2]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=0;adcb=1;adcc=0;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[3]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=1;adcb=1;adcc=0;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[4]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=0;adcb=0;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[5]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=1;adcb=0;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[6]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=0;adcb=1;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[7]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=1;adcb=1;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[8]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

地址鎖存之后，延時一段再將START 拉高，便啟動了A/D轉(zhuǎn)換。延時一小段時間后，便可以向A/D 轉(zhuǎn)換芯片讀取數(shù)據(jù)。單片機(jī)控制A/D 轉(zhuǎn)換芯片循環(huán)采集每一路的數(shù)據(jù)，并且存放于數(shù)組中。當(dāng)組態(tài)王發(fā)來查詢指令時，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的地址來尋找數(shù)組中相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到上位機(jī)。

4.3 采集模塊與組態(tài)王的ASCII 協(xié)議

①通訊口使用RS-485 通訊方式。

上位機(jī)所設(shè)置的參數(shù)必須與單片機(jī)中的通訊參數(shù)一致，例如，波特率、奇偶校驗等。

②設(shè)備地址的格式。

格式：**．*。

前面的兩個字符是設(shè)備地址，范圍為0～255，此地址是由單片機(jī)中的程序決定。

后面的一個字符是用戶設(shè)定是否打包，“0”為不打包、“1”為打包，如果用戶在定義設(shè)備沒有確定打包，那么上位機(jī)就不會處理下位機(jī)的時數(shù)打包工作，反之則處理。

③寄存器格式在上位電機(jī)的定義。

寄存器名稱：Xdd；dd 上限：65535；dd 下限：0；數(shù)據(jù)類型：BYTE、UINT、FLOAT。

注意：在上位機(jī)中定義變量時，某一個寄存器根據(jù)所選數(shù)據(jù)類型（如BYTE 占用一個字節(jié)，F(xiàn)LOAT 占用四個字節(jié)），不同的數(shù)據(jù)類型會對應(yīng)不同的寄存器地址，同一數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)不可交叉定義不同數(shù)據(jù)類型的變量。BYTE 是單片機(jī)從地址0開始的數(shù)據(jù)類型的變量，相應(yīng)的變量在上位機(jī)中定義的寄存器為X0、X1……每個變量占一個字節(jié)。UINT 是單片機(jī)從地址100 開始的數(shù)據(jù)類型的變量，相應(yīng)的變量的寄存器為X100、X102、X108……每個變量占兩個字節(jié)。FLOAT 是單片機(jī)從地址200 開始的數(shù)據(jù)類型的變量。在上位機(jī)中定義相應(yīng)的變量的寄存器為X200、X212……每個變量占四個字節(jié)。

④上位機(jī)與單片機(jī)通訊的命令格式。

讀寫格式（除字頭、字尾外所有字節(jié)均為ASCII 碼）：

字頭：1 字節(jié)1 個ASCII 碼，40H。

設(shè)備地址：1 字節(jié)2 個ASCII 碼，0～255 （即0---0x0ffH）。

CR：0x0d[6]。

標(biāo)志：1 字節(jié)2 個ASCII 碼。

數(shù)據(jù)地址是2 字節(jié)4 個ASCII 碼，0x0000～0xffff。數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是1 字節(jié)2 個ASCII 碼，1～100，實際讀寫的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

⑤組態(tài)王發(fā)送讀命令。

下位機(jī)應(yīng)答：若正常：

例如，讀15 號儀表，數(shù)據(jù)地址為15 的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)為100，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)，不打包。上位機(jī)所發(fā)命令如表1所示。

表1 上位機(jī)所發(fā)數(shù)據(jù)單位：字節(jié)

若正確，則收到表2所示數(shù)據(jù)。

表2 正確數(shù)據(jù)單位：字節(jié)

4.4 采集模塊與組態(tài)王的通訊

通訊程序需要完成的功能：接收上位機(jī)傳來的查詢命令，需要解析出所查數(shù)據(jù)類型、變量名、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，完成校驗功能。接收上位機(jī)命令的流程如圖10 所示。

圖10 接收命令流程圖

當(dāng)接收到組態(tài)王發(fā)來的信息的字頭時，開始接收后面的數(shù)據(jù)，并組成一個數(shù)組，用于做校驗及識別組態(tài)王命令。

單片機(jī)在完整接收完組態(tài)王發(fā)來的命令后，便開始分析命令。分析的流程如圖11 所示。

圖11 單片機(jī)分析數(shù)據(jù)流程圖

5 調(diào)試

設(shè)計完采集模塊后，需要對采集模塊進(jìn)行通信測試。COM1 口連接RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的AB 端分別接到數(shù)據(jù)采集模塊的AB 端。組態(tài)王軟件中支持ASCII 協(xié)議，所以選用組態(tài)王進(jìn)行通信測試。測試之前要對組態(tài)王進(jìn)行設(shè)置，之后設(shè)定不同的模擬量，觀察能否得到正確的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。

測試兩個采集模塊，每個采集模塊的AB 端都并聯(lián)起來，接到RS232/RS485 的轉(zhuǎn)換器上即可。

5.1 組態(tài)王設(shè)置

因為是在PC 上讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)，下位機(jī)與上位機(jī)連接所使用的串口為COM1，因此，在組態(tài)王中要選擇COM1，首先就要對組態(tài)王進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置步驟如下：

①首先新建一個工程，在工程瀏覽器中，找到設(shè)備選項見圖12。

圖12 選擇連接串口

②找到COM1，在右邊選擇新建，選擇設(shè)備時，找到單片機(jī)—通用單片機(jī)ASCII—串口，之后選擇下一步，見圖13。

圖13 選擇設(shè)備類型

③給設(shè)備設(shè)置一個名字，之后串口選擇COM1，設(shè)備地址中每一個模塊都要有自己唯一的地址，用以區(qū)分不同的模塊。其余的設(shè)置選擇默認(rèn)即可。見圖14、15。

圖14 選擇設(shè)備所連接的串口

圖15 選擇設(shè)備地址

之后在數(shù)據(jù)詞典中建立相關(guān)變量即可。再按照相同的步驟，建立地址為4.0 的設(shè)備。

5.2 采集模塊的調(diào)試

對于前四路每個輸入口給定不同的電壓，第一路輸入3 V，第二路輸入0 V，第三路輸入5 V，第四路輸入2.5 V，觀察四路的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果見圖16。

圖16 組態(tài)王接收到的數(shù)據(jù)

對于A/D，0 V 對應(yīng)的數(shù)值為0，5 V 對應(yīng)的數(shù)值為255，轉(zhuǎn)換在實際結(jié)果中我們可以看到，在輸入不同的模擬量之后，不同地址的模塊也得到了相同的結(jié)果，結(jié)果見表3、4。至此，數(shù)據(jù)采集模塊的基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。

表3 采集模塊地址為3 的數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。對于企業(yè)使用組態(tài)王可以很方便直觀的觀察各個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，而且軟件靈活度高，功能強(qiáng)大，易于操作，可以省去很多開發(fā)時間，提高效率。因而為配合采集模塊，采用了組態(tài)王作為監(jiān)控軟件。因為其靈活性極高，可以用在大多數(shù)工廠的應(yīng)用場合。

表4 采集模塊地址為4 的數(shù)據(jù)