王雷陽，李正生

（第二炮兵工程學(xué)院 101室，陜西 西安 710025）

在工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多以單片機(jī)作為核心器件采集數(shù)據(jù)，PC機(jī)大多通過RS－232接口和單片機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制及在PC機(jī)上顯示及處理所采集的數(shù)據(jù)。由于RS－232接口協(xié)議所傳輸?shù)木嚯x[1]不能超過30 m，再者在只占用一個(gè)串口資源的情況下只能實(shí)現(xiàn)單機(jī)間的通訊，所以要實(shí)現(xiàn)多機(jī)遠(yuǎn)距離通訊時(shí)，將RS－232轉(zhuǎn)換為RS－485接口協(xié)議。

1 RS-485接口概況

RS－485作為一種通用串行通信接口，具有傳輸距離長(zhǎng)、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等優(yōu)點(diǎn)［2］，在工業(yè)測(cè)量、智能控制等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意電氣規(guī)定、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及傳輸線纜的選擇。

首先考慮電氣規(guī)定。不同的接口有不同的標(biāo)準(zhǔn)，使用中，需要將表1中常見的3種電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

其次考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般有多個(gè)采集點(diǎn)，因而需要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行主機(jī)和從機(jī)間的通訊。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)[3]。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

表1 常見接口電氣特性表Tab.1 Electric characteristic of common ports

1）總線連線的方式 采用一條雙絞線電纜作為總線，將各個(gè)從機(jī)串聯(lián)起來，從總線到各個(gè)從機(jī)的引出線長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。

2）總線的特性阻抗 注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。如果總線的不同區(qū)段采用了不同的電纜，或某一段總線上有許多從機(jī)緊靠在一起安裝，再者是過長(zhǎng)的分支線引出到總線等情況出現(xiàn)，一產(chǎn)生阻抗的不連續(xù)性。

最后考慮傳輸線纜。在低速、短距離、無干擾的場(chǎng)合可以采用普通的雙絞線，反之，在高速、長(zhǎng)線傳輸時(shí)，則必須采用阻抗匹配（一般為120 Ω）的RS485專用電纜，而在干擾惡劣的環(huán)境下還應(yīng)采用雙絞屏蔽電纜。

2 硬件設(shè)計(jì)

PC機(jī)作為主機(jī)，Atmega16 AVR單片機(jī)為核心作為從機(jī)，通過RS－485總線結(jié)構(gòu)將主機(jī)與各個(gè)從機(jī)相連接。PC機(jī)通過市場(chǎng)上現(xiàn)有的RS－232/RS－485轉(zhuǎn)接器連接到485總線網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)從機(jī)通過SN75176芯片連接到485總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的通訊。485總線接口硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接口硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of interface hardware

ATmega16是ATmega系列中一種高性能、低功耗的8位AVR RISC微處理器。通過在一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令，ATmega16可以獲得接近1 MIPS/MHz的性能。該單片機(jī)具有16 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀/寫的能力）、512 B EEPROM、1 kB SRAM、32個(gè)通用I/0口。此外，還具有一個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)全雙工同步/異步串行口和3個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。ATmega16功能強(qiáng)大，價(jià)格適宜，是一款性價(jià)比很高的MCU[4]。

通訊接口采用SN75176收發(fā)器芯片將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485接口電平，其與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。通過Atmega16的PA0和PA1按照表2的方式對(duì)SN75176的DE和RE端使能，表中，H為高電平輸入，L為低電平輸入。在A端與B端間并聯(lián)120 Ω（1/4 W）的終端匹配電阻，以便有效抑制反射信號(hào)，通信距離可達(dá)1 200 m。

圖2 SN75176接口電路圖Fig.2 SN75176 ports circuit

表2 SN75176端口使能模式Tab.2 SN75176 ports enabled modal chart

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通訊協(xié)議

串口通信協(xié)議分為底層協(xié)議和用戶層協(xié)議。底層協(xié)議一般由計(jì)算機(jī)硬件提供商及設(shè)備廠家提供，而用戶層協(xié)議需要，以此確定通信雙方的數(shù)據(jù)以何種方式進(jìn)行發(fā)送、接收及保證數(shù)據(jù)在串行通信過程中的正確性。在編制用戶層協(xié)議時(shí)，需要遵守以下幾個(gè)原則。

1）數(shù)據(jù)包必須有包頭 包頭是數(shù)據(jù)接收端判斷數(shù)據(jù)是否傳輸?shù)闹匾獦?biāo)志，如果接收端接收到了包頭，就認(rèn)為以后的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。因而包頭字符必須有別于有效數(shù)據(jù)，如果有效數(shù)據(jù)中包含了包頭，就會(huì)引起通信混亂。程序中，包頭定為兩個(gè)字節(jié)，0xA7 0x7A。

2）數(shù)據(jù)包應(yīng)該指明長(zhǎng)度 指明了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，接收端便能夠判斷數(shù)據(jù)包是否結(jié)束。

設(shè)置各個(gè)從機(jī)的地址，分別為0x01～0x04，主機(jī)通過輪流發(fā)送從機(jī)地址的方式控制相應(yīng)的從機(jī)和接收從機(jī)的數(shù)據(jù)。從機(jī)只能被動(dòng)的接收命令，只有被查詢到的從機(jī)才能向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，本次通訊結(jié)束后，從機(jī)又處于接收命令的狀態(tài)。通訊的波特率為9 600 bps，單片機(jī)晶振選為11.059 2 MHz。數(shù)據(jù)幀格式設(shè)為：8數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)、1停止位。從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包格式為：2字節(jié)的字頭（0xA7 0x7A）、30字節(jié)的數(shù)據(jù)。

3.2 主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 串行通信方案選擇

主機(jī)在Windows環(huán)境下以VC++6.0軟件為開發(fā)平臺(tái)，主要解決串口通訊及數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。常用的串行通信有以下幾種方案[5]：

1）直接利用通信端口函數(shù)（－input（），－output（）等），采用TC等C語言工具來開發(fā)，這種方案由于涉及具體的硬件電路，所以比較復(fù)雜，而且TC開發(fā)可視化界面較困難；

2）用Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)通信功能，實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜；

3）直接利用ActiveX控件（如MSComm控件）來實(shí)現(xiàn)，這種方案的特點(diǎn)是方便、簡(jiǎn)單；

4）利用串行通訊類來實(shí)現(xiàn)，如Cserial類、CserialPort類。

本設(shè)計(jì)采用CserialPort類實(shí)現(xiàn)串口通信。CserialPort類是Remon Spekreijse寫的一個(gè)串口類，是一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的多線程串口編程工具。使用時(shí)，只需將該類添加到編寫的工程里，就可以使用其成員函數(shù)，并且用戶可以根據(jù)需要對(duì)該類進(jìn)行改進(jìn)。

3.2.2 程序?qū)嶋H開發(fā)

程序開發(fā)的主要步驟如下：

1）建立可視化窗口界面 建立基于對(duì)話框的MFC應(yīng)用程序SerialPortTest，在自動(dòng)生成的用戶界面上添加必要的控件。界面如圖3所示，使用時(shí)，按照通信要求正確設(shè)置串口參數(shù)，打開串口后，選擇從機(jī)地址點(diǎn)擊發(fā)送，接收框便會(huì)自動(dòng)顯示該從機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并顯示出連續(xù)測(cè)量n次的平均值。

2） 添加CserialPort類文件 將SerialPort.h和SerialPort.cpp文件復(fù)制到工程根目錄下，用Project－Add to Project－Files命令將上述文件加入工程，并在SerialPortTestDlg.h中加入#include “SerialPort.h”。

圖3 窗口界面圖Fig.3 Window interface

3）串口初始化 串口初始化主要是按照默認(rèn)的參數(shù)打開串口。默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置為：串口號(hào)為串口1、波特率9 600、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無奇偶校驗(yàn)。此外，如果在初始化成功后，還要調(diào)用串口通信監(jiān)測(cè)線程函數(shù)，這樣各種串口狀態(tài)和事件才能被監(jiān)測(cè)到。

使用的函數(shù)為：

① BOOL InitPort （CWnd*pPortOwner， UINT portnr，UINT baud， char parity， UINT databits， UINT stopbits，DWORD dwCommEvents， UINT writebuffersize）， 該函數(shù)為串口初始化函數(shù)，如果初始化成功，就返回TRUE。

②BOOL StartMonitoring（），該函數(shù)為串口通信監(jiān)測(cè)線程函數(shù)。

4）人工添加串口消息響應(yīng)函數(shù)：OnComm（WPARAM ch，LPARAM port）

因?yàn)镃serialPort類所有的消息均需要人工添加消息處理函數(shù)，所以需要用戶自己對(duì)函數(shù)進(jìn)行聲明和消息映射。首先在SerialPortTestDlg.h中添加該函數(shù)的聲明：

接著，在SerialPortTestDlg.cpp中加入函數(shù)OnComm（）的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵代碼如下，實(shí)現(xiàn)了將收到的數(shù)據(jù)字符顯示到編輯框中，然后將字符轉(zhuǎn)換為整形，解析出所需要的數(shù)據(jù)，并將多次測(cè)量的結(jié)果計(jì)算出均值。

LONG CSerialPortTestDlg::OnComm （WPARAM ch，LPARAM port）

5）添加串口發(fā)送函數(shù)。在發(fā)送框中輸入進(jìn)行通信從機(jī)的地址，由于單片機(jī)地址匹配的是十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，因而將待發(fā)送的數(shù)據(jù)在程序中使用用戶編寫的Str2Hex函數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。接收框便可接收到該從機(jī)所采集的數(shù)據(jù)。

3.3 從機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

通過宏定義給各個(gè)從機(jī)Atmega16單片機(jī)定義從機(jī)地址，在初始化后保持接收地址命令狀態(tài)，當(dāng)與本機(jī)地址匹配后發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)，其余從機(jī)處于地址接收等待狀態(tài)，當(dāng)該從機(jī)發(fā)送完數(shù)據(jù)后作出相應(yīng)的反應(yīng)，回到接收地址命令的狀態(tài)。各個(gè)從機(jī)串口接收和發(fā)送均使用中斷的方式處理數(shù)據(jù)，這樣能夠減輕單片機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，圖4為從機(jī)串口接收完成中斷服務(wù)程序流程圖。

圖4 從機(jī)串口接收完成中斷服務(wù)程序流程圖Fig.4 Receive interrupt program chart of slave

圖5 從機(jī)串口發(fā)送完成中斷服務(wù)程序流程圖Fig.5 Transmit interrupt program chart of slave

圖5為串口發(fā)送完成中斷服務(wù)程序流程圖。在服務(wù)程序中，首先發(fā)送字頭A7，此時(shí)產(chǎn)生發(fā)送完成中斷，程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，接著發(fā)第二個(gè)字頭7A，接著發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)，每發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)，便計(jì)1次數(shù)，當(dāng)發(fā)送32次時(shí)，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包便發(fā)送完畢，此時(shí)，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，當(dāng)主程序查詢到該標(biāo)志時(shí)，程序便跳出中斷。

4 結(jié) 論

通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，信號(hào)接地很重要，不能忽略，若不接地嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的有效通信。主要有兩方面的原因：一是共模干擾問題，RS-485收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，如果沒有接地，很可能導(dǎo)致接收器共模輸入超出正常范圍，并在傳輸線上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響正常通信，總則損壞通信接口電路；二是電磁干擾問題，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒有信號(hào)地，就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè)總線就會(huì)向外輻射電磁波。

將本文的設(shè)計(jì)應(yīng)用到線陣CCD縫隙測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)過軟硬件測(cè)試，各個(gè)從機(jī)能夠接收到主機(jī)的命令并準(zhǔn)確的發(fā)出CCD測(cè)量的縫隙數(shù)據(jù)，主機(jī)能夠接收到數(shù)據(jù)并計(jì)算出縫隙的大小，總體運(yùn)行良好，可靠性較高。

[1]李永，李芙玲，賀秀玲.基于PC機(jī)和AVR單片機(jī)的RS485通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化，2008（1）：108-110.

LI Yong， LI Fu-ling，HE Xiu-ling.Design and implement of RS-485 communication system based on PC and AVR MCU[J].Industry and Mine Automation，2008（1）：108-110.

[2]耿立中，王鵬，馬騁，等.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào) ：自然科 學(xué)版，2008，48（8）：1311-1314.

GENG Li-zhong， WANG Peng， MA Cheng，et al.Design and implement of RS-485 high speed data communications protocal [J].JournalofTsighua University：Sci&Tech，2008，48 （8）：1311-1314.

[3]龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]江海波，王卓然，耿德根.深入淺出AVR單片機(jī)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[5]陳善林，楊承志，楊曉洪.基于CSerialPort類的PLC與上位計(jì)算機(jī)的串行通信 [J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，13（2）：129-138.

CHEN Shan-lin，YANG Cheng-zhi，YANG Xiao-hong.Serial communication between PLC and computerbased on CSerialPort class[J].Journal of Yunnan Nationalities University：Natural Sciences Edition，2004，13（2）：129-138.

[6]任海波，韓崇偉，李碩，等.CSerialPort類在定位定向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010（1）：26-29.

REN Hai-bo，HAN Chong-wei，LI Shuo，et al.The application of CSerialPort class in the data acquisition system of location and orientatin[J].Journal of Gun Launch and Control，2010（1）：26-29.