引言

目前是通信控制領域的主流通信方式，數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)及其測控領域中，經(jīng)常采用串行通信來達到信息交換的目的。多機串行通信控制網(wǎng)絡是物理層采用RS 485通信接口所組成的多機串行通信工控設備網(wǎng)絡，RS 485既是物理層的協(xié)議標準，也是串行通信接口的電氣標準。這種通信接口可以十分方便地將許多設備組成一個控制網(wǎng)絡。RS 485通信方式有很多優(yōu)點，首先它的通信距離比較遠，通常可以做到數(shù)百米甚至千米以上，而且還可以實現(xiàn)多點通信方式，從而可以建立一個小范圍內(nèi)的局域網(wǎng)，因而更有實用價值。RS 485采用差模信號傳輸方式，與地電平關系不大，因而它抗干擾的能力比較好，即便在信號電壓比較小的情況下也能獲得穩(wěn)定的傳輸。

1 總體方案及硬件設計

該系統(tǒng)的設計要求主機能夠與從機之間進行地址確認并相互通信，從機能夠準確檢測到被測信號，主機能夠接收從機傳來的數(shù)據(jù)信號，并通過液晶顯示器和發(fā)光二極管顯示，同時采用RS 485總線主從機可以實現(xiàn)長距離通信。主從機采用的主要核心芯片均為，考慮單片機性能及實際運行環(huán)境的需要，選用AT89S51單片機，串行通信網(wǎng)絡結構如圖1所示。

（1）主機使用主要器件：AT89S51 MAX4851602LCD LED RESISTORS CAP CRYSTAL；

（2）從機使用主要器件：AT89S51 MAX485 RESISTORS CAP CRYSTAL

主機主要功能：

（1）與從機之間進行地址確認。

（2）查詢從機是否有信號（從機檢測被測量時產(chǎn)生的相應的數(shù)據(jù)信號）發(fā)送到主機。

（3）通過液晶顯示發(fā)送信號的從機地址，同時可以通過發(fā)光二極管顯示信號的級別（這里兩個發(fā)光二極管分別代表兩個行程開關的亮滅）。

從機主要功能：

（1）與主機之間進行地址確認。

（2）檢測被測量，并將被測信號數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。

主機主要有兩大功能模塊：液晶顯示模塊用來顯示從機地址編號，所使用的器件為1602LCD，RS 485串行通信模塊用來實現(xiàn)與從機之間的遠距離串行通信，使用MAX485芯片來實現(xiàn)。

從機的主要功能模塊為RS 485串行通信模塊用來完成與主機之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2 設計實現(xiàn)原理

主從機均采用的是AT89S51單片機，它是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4 KB的可反復擦寫1 000次的FLASH只讀程序存儲器。單片機的XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。本電子開關設計外接12MHz晶振。

主從機均使用單片機2個全雙工串行通信口外接MAX485芯片來完成與從機之間的串行通信，由串行口控制寄存器SCON設置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等。P3．0／RXD為串行通信接收端，P3．1／TXD為串行通信發(fā)送端。

主機端口P0．0～P0．7作為液晶顯示器的數(shù)據(jù)線，P0口上拉10 kΩ電阻與1602液晶的D0～D7數(shù)據(jù)端相連，P3．7與使能端E相連，P3．6與讀／寫信號線RW相連，P3．5與寄存器選擇端RS相連。P1．0和P1．1引腳接兩個發(fā)光二極管，用來顯示從機發(fā)送信號的級別。

從機P1．0和P1．1引腳分別接到一級行程開關和二級行程開關，用來檢測兩個開關的狀態(tài)，最終由從機P1．0和P1．1這兩個引腳將行程開關的狀態(tài)發(fā)送到主機，主機讀取狀態(tài)值并且顯示。

主機通過輪詢的方式，當主機查詢n號從機時，與n號從機進行地址確認，并判斷n號從機是否有信號產(chǎn)生，如果沒有，主機將查詢n-1號從機，如果有信號產(chǎn)生，主機接收到信號并存儲該從機的主機編號，分別通過發(fā)光二極管和液晶顯示出來，如果n-1號從機繼續(xù)有信號產(chǎn)生，主機繼續(xù)接收，直到接收完畢，主機將查詢n-2號從機，如此往復。從機的個數(shù)可以在主機程序中對從機個數(shù)n值進行設定。

2．1 多機串行通信及通信協(xié)議

電子開關的設計核心主要通過單片機的多機串行通信來實現(xiàn)。

2．1．1 發(fā)送器和接收器

AT89S51串行口主要由發(fā)送器、接收器和串行控制寄存器組成。發(fā)送器主要由發(fā)送緩沖寄存器SBUF和發(fā)送控制器組成。接收器主要由接收緩沖寄存器SBUF，接收移位寄存器和接收控制器組成。

2．1．2 串行口控制寄存器

串行口控制寄存器SCON用于設置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等。它是一個既可字節(jié)尋址又可位尋址的特殊功能寄存器。控制寄存器SCON的格式如下：

電子開關中單片機串行口控制寄存器SCON各位設置如下：

主機SCON設置：1 0 0 1 1 0 0 0 =#98H

從機SCON設置：1 0 1 1 0 0 0 0 =#0B0H

2．1．3 工作方式的選擇

本電子開關單片機串行通信工作方式選擇為工作方式2，在方式2下，串行口工作在11位異步通信方式。一幀信息包含一個起始位“0”，八個數(shù)據(jù)位，一個可編程第九數(shù)據(jù)位和一個停止位“1”。其中可編程位是SCON中的TB8位，在八個數(shù)據(jù)位之后，可作奇偶校驗位或地址／數(shù)據(jù)幀的標志位使用，由使用者確定。

波特率的選擇：方式2的波特率是固定的。

若PCON中SMOD=0，速率=fosc／32

若PCON中SMOD=1，速率=fosc／64

該設計中：波特率為9 600 b／s。

2．1．4 實現(xiàn)原理及流程

多機通信主要靠主、從機之間正確地設置與判斷多機通信控制位SM2和發(fā)送或接收的第9數(shù)據(jù)位（D8）。

電子開關多機串行通信的實現(xiàn)流程：

（1）主從機均初始化工作方式2，主機置SM2=0，允許中斷，從機置SM2=1，REN=1。

（2）主機置REN=1，TB8=1，將地址信息發(fā)送給從機，并等待是否發(fā)送完畢，從機等待主機發(fā)送地址。

（3）從機接收到地址與本機地址核對，核對正確，置SM2=0，向主機發(fā)送應答地址并等待發(fā)送完畢，主機接收之后進行地址確認，并置TB8=0。

（4）從機地址發(fā)送完畢后，接著發(fā)送信號數(shù)據(jù)并等待發(fā)送完畢。

（5）主機接收到數(shù)據(jù)將從機編號發(fā)送到液晶顯示，將信號數(shù)據(jù)發(fā)到發(fā)光二極管顯示信號級別。

2．1．5 主從機之間地址確認

主從機在進行數(shù)據(jù)通信之前，首先進行地址確認，其目的就是讓主機知道哪號從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。主機首先發(fā)送n號從機地址編號#0FFH，所有從機接收到主機發(fā)送的地址后與各自的地址進行核對，地址不是#OFFH的從機將繼續(xù)等待主機的呼叫，核對正確的從機向主機發(fā)送本機的應答地址，主機收到從機的應答地址后進一步做出判斷，確認是否是n號從機的地址。地址確認正確之后，主機與n號從機進行數(shù)據(jù)通信，直到數(shù)據(jù)通信完畢，主機將呼叫下一號從機。

2．1．6 避免多從機與主機通信產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突

一個主機與多個從機進行串行通信的時候，如果當某一從機有數(shù)據(jù)時向主機發(fā)送，這時可能出現(xiàn)兩個，三個或者更多從機同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)，需要同時向主機發(fā)送，這樣就會導致數(shù)據(jù)通信的沖突問題。該電子開關的設計采用主機輪詢從機的方式，從而有效避免了主從機數(shù)據(jù)通信沖突的問題，主機先呼叫n號從機，地址確認之后，是n號的從機應答并與主機進行通信，其余從機處于等待狀態(tài)，主機接收n號從機數(shù)據(jù)，并判斷該從機是否繼續(xù)有數(shù)據(jù)發(fā)送，此時其他從機若有數(shù)據(jù)只能處于排隊等待中，不會對主機產(chǎn)生干擾，主機接收完畢后將n號從機地址減1，呼叫n-1號從機，如此反復輪詢各個從機。主機輪詢的過程是很快的，從機檢測到被測信號的時候也能得到及時的處理。如圖2所示。

2．2 多RS 485串行通信模塊

RS 485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A，B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。如果以10 Kb／s速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸距離可達12 m，而用100 Kb／s速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸距離可達1．2 km。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。

實現(xiàn)RS 485串行通信只需給主機和每個從機接各接一片MAX485芯片，其接收器的輸出端RO和驅(qū)動器的輸入端DI，只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；在主機電子開關中使用單片機的P3．4引腳控制MAX485的和DE兩端，如圖3所示。

A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡

A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。

可靠性措施如下：

復位時，主從機都應該處于接收狀態(tài)。

控制端，DE的信號的有效脈寬應該大于發(fā)送或接收一幀信號的寬度。

同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選120 Ω的電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應與總線的特性阻抗相當。

接收和發(fā)送的使能端和DE的引腳控制在程序中的實現(xiàn)，主機部分程序如下：

2．3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊選用1602液晶，1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。電子開關上使用1602液晶顯示，是用來顯示發(fā)送信號數(shù)據(jù)的從機編號，某一從機檢測到信號時將會顯示：

Fault Machine is：***（001號，002號，003號……）

1602主要引腳定義如下：

RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

主機接收到某一從機發(fā)來的一級或二級信號時，將此從機的編號發(fā)送至液晶顯示出該從機的編號。主機首先對地址編號值進行百十個位分離，然后在液晶上逐位顯示。

百十個位分離程序如下：

主機RS 485通信與液晶顯示電路原理圖如圖3所示。

3 電子開關的功能及應用

該電子開關從功能上主要分為主機和從機電子開關兩部分。

主機主要完成數(shù)據(jù)的接收和處理，以及將最終結果狀態(tài)顯示出來，從機電子關主要完成信號的檢測，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機，整個系統(tǒng)的搭建由一個主機和一個或多個從機電子開關組成，從機電子開關的數(shù)量可以根據(jù)實際情況的需要而定。

因該電子開關要應用到傳送帶位置跑偏的檢測中，從機電子開關要安裝在一個檔桿機構（如圖4，圖5所示）中，每個檔桿機構中內(nèi)部都有兩個行程開關，根據(jù)所要求的信號級別，分別將它們設置為一級行程開關和二級行程開關，檔桿通過凸輪機構與行程開關相連，從機電子開關的兩個數(shù)據(jù)輸入線接到兩個行程開關上即可。

該電子開關主要針對大中型傳送帶傳送過程中位置跑偏的檢測而設計完成，同樣也可以應用到其他相關的設備及場合的位移量及跑偏量的檢測。在傳送帶兩側(cè)已確定位置放置從機電子開關，當傳送帶傳送過程中某處有一定量的位置跑偏，會通過檔桿觸動一級行程開關，產(chǎn)生一級觸發(fā)信號，并將信號傳送到從機電子開關，從機電子開關檢測到并將其發(fā)送到主機處理，主機負責顯示產(chǎn)生故障的從機編號及故障級別，以供工作人員了解到傳送帶何處產(chǎn)生一級跑偏，并對傳送帶做出相應調(diào)整，同理傳送帶某處產(chǎn)生二級跑偏量的時候，將會由從機電子開關將二級信號發(fā)給主機顯示。

傳送帶上的安裝結構示意圖如圖5所示。

4 運行狀態(tài)及結果

當1號從機所連接的行程開關檔桿機構中1級行程開關被按下時，1號從機檢測到一級故障信號，與主機進行地址確認之后，并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，此時主機上液晶顯示器上顯示：Fault Machine is：001（故障從機編號為001），同時發(fā)光二級管有一個顯示燈熄滅（正常狀態(tài)下兩個發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài)），同理若是2號從機檢測到故障信號時，運行結果如圖6所示。

5 結論

該電子開關采用了單片機多機串行通信原理而設計，由RS 485模塊和1602液晶顯示模塊組建的小型電子開關系統(tǒng)，在工業(yè)控制中，多機串行通信的應用越來越廣泛，可以在此電子開關設計的基礎上開發(fā)功能更強的基于RS 485總線的多機串行通信的電子開關相關產(chǎn)品，以應用于工業(yè)控制，檢測等及其他領域中。