C8051F020单片机的RS485串行通信设计 计算机技术, 测控技术, 计算机网络, 控制系统, 数据采集

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关键字：单片机   串行通信   RS485  



l 引言
随着计算机技术和测控技术的不断发展，在以单片机为核心的数据采集系统中，需要实现单片机和计算机之间的数据交换，并以此来发挥单片机和计算机各自的长处，提升整个系统的性能价格比。

在计算机网络和工业控制系统中，经常需要采用串行通信来实现远程数据传输。目前，有多种接口标准可用于串行通信，包括RS232、RS422、RS485等。RS232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。但是，RS232通信存在着传输速度慢、传输距离短、信号容易受到干扰等不足，其应用局限性已日益突出。而RS485通信采用差分方式来消除噪声，即信号在发送前会分解为正负2条线路，当到达接收端时将信号相减，使噪声相互抵消，还原成原来的信号，这种方式对共模干扰抑制能力较强，已广泛应用于工业控制等领域。

要实现单片机与计算机之间的RS485通信，一般可以采用2种方法：一种方法是在单片机与计算机两端分别采用RS232与RS485电平转换装置；另一种方法是采用RS485通信卡，并将其插在计算机主板上。采用前一种方法的优点是硬件装置安装简便，软件编程相对简单；缺点是通信速率被限制在20 kb/s以内。第二种方法的优点是通信距离较远，速率较高，可达10 Mb/s；缺点是需要安装通讯卡和驱动程序，并进行必要的设置。本文采用第二种方法。

2 总体架构

在某型电子设备研制中，选用美国Cygnal公司生产的一种soc型8位单片机C8051F020，对测控系统进行数据采集。该单片机是C8051F系列的F02X子系列，其性价比在工业控制领域具有较强的竞争力。它是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP一51内核，对于熟悉51单片机的技术人员来说，在硬件设计及软件编程上大大提高了开发效率。

测控计算机采用研华的IPC-610工控机，并选用PCL一846B通信卡进行RS485串行数据通信，该通信卡包含4通道，每个通道可以对32个节点进行通信。

为了实现单片机与工控机之间的RS485串行通信，必须对单片机的UART输出电平进行转换，以满足RS485串行通信需求。选用MAX485接口芯片，它是Maxim公司的一种RS485接口芯片，该芯片的结构和引脚都比较简单。

该设计理论上可以实现1台工控机(安装1块RS485通信卡)对128台单片机进行Rs485串行通信，其总体设计框图如图1所示。



图1 总体结构



3 系统硬件设计

3.1 硬件简介

1)C8051F020单片机

C8051F020内部有2个增强型全双工UART、SPI总线和SMBus/IC。这些串行总线都用硬件实现，都能够向CIP-51内核产生中断，只需要很少的CPU干预；这些串行总线不“共享”定时器、中断或I/O端口等资源，因此可以使用任何一个或者全部同时使用。

2)MAX485芯片

MAX485芯片采用+5V电源工作，其额定电流为300“A，它能将UART输出电平转换为RS485电平。该芯片有8个引脚，其内部含有1个接收器和1个驱动器，R0为接收器的输出端，接单片机的TXD引脚；DI为驱动器的输入端，接单片机的RXD引脚。/RE是接收使能端，当/RE=0时，MAX485芯片处于接收状态；DE是发送使能端，当DE=1时，MAX485芯片处于发送状态。

MAX485芯片的A端与B端分别为接收与发送的差分信号端。当VA小于VB时，表示发送信号为“0”；当VA大于VB时，表示发送信号为“1”。MAX485芯片工作时，A、B两端之间应当加上匹配电阻尺，一般选用120 Ω；当通信距离较远时，可以选用300 Ω。

3)RS485通信卡

Rs485通信卡具有较强的抗干扰能力、较高的通信速率以及较低的价格，在工业控制等领域具有较强的竞争力和实用性。选用研华的PCL-846B通信卡，该卡支持RS422和RS485 2种串行通信接口标准，需要通过跳线进行设置。另外，在该通信卡的4个通道上均预留有焊接终端匹配电阻的焊孔。

3.2 电路设计

采用UART串行总线进行通信，因为UART是一种广泛应用于远距离、低速率、低成本通信的串行传输接口，由于其具有数据线少的特点，在数字系统设计中得到了大量应用。基本的UART通信只需要两根数据线(RXD、TXD)即可完成数据的相互通信，接收和发送都是全双工形式，其中RXD是接收端，TXD是发送端。

C8051F020单片机有2个UART(UART0和UARTl)，以UART0为例，它的TxD和RXD分别与数字I／0引脚PO.O和PO.1复用，通过交叉开关配置寄存器进行选择。由于MAX485工作在半双工状态，它与单片机连接时的接线比较简单，只需要用单片机某一个引脚(如PO.2)来控制RE和DE这2个引脚。PCL-846B通信卡有4个通道，选择通道1与单片机进行通信，另外将通道2和通道4进行连接，以自发自收的方式实现通信卡的自检。单片机与外部电路的连接关系如图2所示。



图2 硬件电路原理



在使用RS485通信卡进行通信时，当信号传递到通信线路两端时，如果阻抗不匹配，可能会产生信号反射问题。信号反射会造成信号的失真和变形，从而导致通信错误。其解决方法就是在通信线路的两端各连接一个终端匹配电阻，保证阻抗匹配。当通信距离较短，一般在小于300 m时，可不使用终端电阻。当通信距离大于300 m时，应当使用终端电阻，其阻值必须与通信线路的线性阻抗相同。电阻值一般选取120 Ω左右，当通信距离较长时，可以选用300 Ω。4 软件设计

4.1 通信方式

C8051F020单片机的UARTo提供4种工作方式(1种同步方式和3种异步方式)，以方式1为例：方式1提供标准的异步、全双工通信，每个数据字节共包含10位：1个起始位、8个数据位和1个停止位。数据从TX引脚发送，在RX引脚接收。2在多机通信中，通常选择方式2和方式3，通过使用第9数据位和内置UARTo地址识别硬件支持一个主处理器与多个从处理器之问的多机通信。

为了简化UART0的使用和软件编程，选择方式1进行多机通信，通过编写串口中断程序对通信双方进行约定。具体做法是：

1)约定发送数据的格式，本文约定以“#……*”作为合法的数据格式，即以“#”开始和“*”结束作为判断数据有效性的依据。

2)在“#”和“*”之间的数据是需要的，本文约定以第2个字符(当设备较多时，可以2个字符)作为接收设备的识别码，由接收设备(单片机或上位机)对该字符进行判断，确定是否需要接收该数据。

3)当接收设备需要知道发送数据的来源时，也可以约定发送设备的识别码(由于每台设备既可以是发送设备也可以是接收设备，因此可以约定一个固定的识别码)，在发送数据中插入该识别码(插入位置必须事先约定)，即可获知数据的来源设备。

4.2 串口波特率

C8051F020单片机有5个16位通用计数器/定时器(T0～T4)和一个片内可编程计数器/定时器阵列(PCA)。方式1的波特率是定时器溢出时间的函数，UART0可以使用定时器1工作在8位自动重装载方式或者定时器2工作在波特率发生器方式产生波特率。以定时器2为例，其波特率的计算公式是：



串口波特率


式中：SySCLK是单片机的系统时钟，RCAP2H和RCAP2L分别为定时器2的重装载寄存器的高8位和低8位。

波特率根据数据传输速率的实际需要确定，波特率确定后即可计算出定时器2的重装载寄存器的初始值T2。



串口波特率


采用22.1184 MHz晶体振荡器作为系统时钟，波特率为9600 b/s，计算得到T2=FFB8H(十六进制)。

4.3 软件流程

C8051F020单片机内部具有JTAG和调试电路，可以通过JTAG接口对MCU进行非侵入式、全速、在系统调试。根据系统功能需求，对软件进行模块化设计，并利用Silicon Labs IDE集成开发环境对单片机进行编程与调试。利用C8051F020单片机的中断系统，直接采用C语言对UART中断服务程序进行编写。

单片机的串口通信程序可由数据发送和接收2个模块构成。数据发送模块首先需要设置UART为发送状态，清除发送标志后向sBF中写入数据，开始逐个发送字符，数据发送完成后，恢复UART为接收状态。数据接收模块清除接收标志后读SBF中的数据，开始接收字符，首先判断接收数据是否有效，然后分析处理数据，接收完数据后，退出接收程序。UART串口发送和接收模块的程序流程如图3所示。



图3 串口通信程序流程



5 实验分析

设计的系统已经应用于某型实时测控装置研制中，该测控装置含有2个单片机，其主控上位机安装有l块RS485通信卡。具体验证过程是：将1个测控装置与1台上位机距离50 m进行串行通信，通信正常可靠。将2个测控装置与2台上位机(均安装有RS485通信卡)分别相距50 m，通信线路采用并联，4个通信节点之间RS485通信正常可靠。依次类推，在多个测控装置与多台上位机进行远距离通信时，RS485通信均正常可靠。

在上位机上通过串口调试助手可以简便地对串口进行调试。该调试工具可以实时发送和接收串行数据，数据格式和传输速率可调，可以动态观察各通信节点的数据收发情况。串口调试界面如图4所示。



图4 串口调试界面



该设计方法成功实现了单片机与上位机之间的RS485串行通信，在单片机与上位机距离50 m以内可以实现115.2 k/ps的高速通信，数据传输误码率低，完全满足系统设计指标。

6 结论

通过在单片机与工控机之间建立RS485串行通信网络，利用RS485串行通信的优势，可以保证稳定、快速、远距离地传输数据。设计的系统已经在某型实时测控装置研制中得到成功应用，经实验验证，数据传输正常可靠，达到设计要求。

由于设计方法开发成本低、软件设计简单、使用维护方便，其通信设计方法还可以稍加修改移植到其他测控系统中，在计算机通信和工业控制等领域将会得到越来越多的应用。