主從式測控總線設(shè)計應(yīng)用

屈長衡

摘要：根據(jù)現(xiàn)代化生產(chǎn)現(xiàn)場中網(wǎng)絡(luò)化教據(jù)傳輸需要，文章提出無線現(xiàn)場總線方案，基于單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，通過無線RS485總線，把生產(chǎn)線中各臺儀器儀表的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)終端，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)化管理。無線通信中使用了TH7122無線傳輸芯片，并根據(jù)該芯片的可編程模式進(jìn)行了具體設(shè)計和編程。最后，通過RS232串行接口無線RS485總線和PC機(jī)連接起來整合成一個系統(tǒng)，最終實現(xiàn)設(shè)計目的。

關(guān)鍵詞：無線RS485；總線；生產(chǎn)車間；網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計從生產(chǎn)車間的生產(chǎn)實際需要出發(fā)，設(shè)計一種基于車間生產(chǎn)現(xiàn)場的無線RS485總線，構(gòu)成一個小型數(shù)據(jù)傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)。局域網(wǎng)中各個節(jié)點通過無線傳輸模塊與其他節(jié)點相連，各個節(jié)點之間構(gòu)成點對點的半雙工傳輸方式，這種傳輸方式就是本設(shè)計中的無線RS485。無線RS485總線能夠把生產(chǎn)車間的各臺儀器儀表與PC機(jī)建立連接，通過網(wǎng)絡(luò)車間中各臺儀器儀表的使用狀態(tài)可以傳輸?shù)絇C機(jī)終端，在PC機(jī)終端不僅可以顯示現(xiàn)場各儀器儀表的使用現(xiàn)狀，而且可以對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計、分析，為實現(xiàn)車間生產(chǎn)現(xiàn)場的智能化和自動化，達(dá)到了對生產(chǎn)車間網(wǎng)絡(luò)化管理的目的。

1 采用SPCE061A單片機(jī)優(yōu)點

使用SPCE061A單片機(jī)，提供了足夠的存儲空間和隨機(jī)存儲器，根據(jù)實際需要優(yōu)點如下：（1） SPCE061A提供了足夠的存儲空間和隨機(jī)存儲器這使得系統(tǒng)有了很大的擴(kuò)展余量。（2） SPCE061A提供了模數(shù)（Analog-to-Digital，AD）轉(zhuǎn)換器，使得該系統(tǒng)不需要另外增加相應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)的終端連接生產(chǎn)現(xiàn)場的各臺儀器儀表，其中必需用到模數(shù)轉(zhuǎn)換，故在本設(shè)計中使用自帶AD轉(zhuǎn)換器的微處理不但可以降低設(shè)計難度而且可以節(jié)省成本。最后，SPCE06IA提供了豐富的中斷源，可以滿足本設(shè)計中對實時性的要求，所以，在本系統(tǒng)設(shè)計中使用SPCE06IA單片機(jī)作為微處理器。

為了提高通信速度，增強(qiáng)系統(tǒng)可擴(kuò)展性，設(shè)計方案如下：采用SPCE061A單片機(jī)作為微處理器，其內(nèi)部隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory， RAM）。使用無線傳輸芯片TH7122（通信速度達(dá)到40--80 kbit/s）作為無線傳輸通道。使用RS485通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立系統(tǒng)總線（可同時接入32個通信節(jié)點）。該方案的原理如圖1所示。 在該方案中，通過接口塊塊A接入RS485總線與PC機(jī)建立連接。接口模塊A通過無線射頻分別與多個端口（端口B、端口C、端口D）連接。這些端口將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇涌谀KA，接口模塊再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上。由于采用了無線RS485總線，該系統(tǒng)擴(kuò)展很容易，可以根據(jù)需要在無線RS485總線上擴(kuò)展接口模塊端口E、端口F、端口G等，當(dāng)然也可以是需要在RS485總線上掛接多個PC機(jī)。接口模塊A與多個無線端口相連。主要是通過TH7122多用戶可編程模式實現(xiàn)的。

2 設(shè)計方案詳述

方案中，軟件部分編程分為PC機(jī)上的編程和SPCE061A處理器編程。硬件部分主要有無線收發(fā)模塊的設(shè)計，RS232接口設(shè)計和SPCE061A外圍設(shè)計。

2.1 無線收發(fā)模塊的設(shè)計

本設(shè)計無線傳輸模塊采用Melexis公司推出的TH7122芯片，該芯片可以工作在多信道可編程或單信道單機(jī)半雙工傳輸系統(tǒng)中。其通信速度可以達(dá)到40--80 kbit/s。TH7122工作模式有3種，第一種是用戶模式。設(shè)置為用戶模式時，TH7122可以工作在兩個不同的用戶模式。它可以作為三線式總線控制其可編程器件或者固定頻率的獨立器件。在SUM模式下，有下列4個固定頻率設(shè)置：315 M，433.92 M.868.3M，915 M。本設(shè)計中使用的是315 M。在本設(shè)計應(yīng)用中，通過SPCE06IA提供的串行設(shè)備輸入輸出端口（Sonic Input/Output，SIO），其中，可輸入輸出編程單元（Input OutputBlock，IOB）的IBOO作為時鐘端口SCK，IOBI作為數(shù)據(jù)端口靜態(tài)數(shù)據(jù)認(rèn)汪（Static Data Authentication，SDA），正好可以配合對TH7122芯片的讀寫操作。

2.2 RS232接口設(shè)計

在本設(shè)計的無線RS485總線中，作為主從式結(jié)構(gòu)中的主機(jī)A需要把各個通信端口上傳來的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，由于PC機(jī)上的串行端口為RS232（DB-9型號），故需要在無線RS485總線的主機(jī)與PC機(jī)之間設(shè)計一個RS232轉(zhuǎn)換接口。在這個轉(zhuǎn)換過程中，需要把單片機(jī)上發(fā)送出去的串行數(shù)據(jù)由TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232標(biāo)準(zhǔn)電平，同時應(yīng)該把PC機(jī)發(fā)送到單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)由RS232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。在本設(shè)計中這個轉(zhuǎn)換過程是采用MAX232芯片實現(xiàn)的，MAX232內(nèi)部自帶升壓模塊，供電電源只需5.0 V，芯片內(nèi)部升壓模塊可以把電壓提升到-10 V和+10 V。

由于無線電波信號的收發(fā)受物理空間限制較小，為車間實時技改、技措，設(shè)備設(shè)施移動改造提供了比較便利的條件。為了使無線通信的靈活性更高，編程和配置選擇具有更大的可擴(kuò)展性?？梢允褂每删幊逃脩裟Ｊ?。在TH7122通電后，改變引腳FSO/SDEN狀態(tài)可以進(jìn)入可編程用戶操作模式。通過串行控制端口SCI可編程實現(xiàn)芯片的模式選擇功能。

在可編程用戶模式下，利用三線（SCLK，SDTA，SDEN）串行控制端口可對收發(fā)器進(jìn)行編程。SDEN為芯片的使能端，當(dāng)這個引腳被置為高電平時，所有輸入的時鐘（SCLK）信號和數(shù)據(jù)（SDTA）均無效。設(shè)置SDEN為低電平后，在每一個SCLK上升沿，引腳端SDTA的邏輯值被寫入一個24位的移位寄存器，存儲在移位寄存器中的數(shù)據(jù)在SDEN的上升沿被送入4個鎖存器中的一個。

控制字有24位，其中2個地址位和22個數(shù)據(jù)位。最先輸入的位是MSB位。為了在多信道運行狀態(tài)對收發(fā)器進(jìn)行編程，可以發(fā)送24位字：A字、B字、C字、D字。如果必須改變一個字中某一位的位，只有24位字全部重新輸入才能夠完成編程。SCI在運行模式和待機(jī)模式都可以進(jìn)行編程。

在RS232中，不能有超過兩臺的設(shè)備。而RS485是RS422的基礎(chǔ)上制定的，不僅增加了雙向通信能力，增加了多點連接功能，同時允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，并且增加了發(fā)送驅(qū)動能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍。

RS485數(shù)據(jù)信號使用差分方式傳輸，也叫作平衡傳輸方式，它是使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2V--+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2V--6V，是另一個邏輯狀態(tài)。還有一個信號C，作為使能端，使能端控制發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)使能端發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)對總線的電平?jīng)]有影響。

RS485最大傳輸距離是1 219 m，最大傳輸速度為10Mbit/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速度成反比，在100 kbit/s速度下，才可以使用規(guī)定最長的電纜長度。只有很短的距離下才能獲得最高傳輸速度。一般100 m長的雙絞線最大傳輸速度僅為1 Mbit/s。RS485需要接兩個終端電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的電阻特性。300 m之下不需接終端電阻。終端電阻接在傳輸總線的兩端。RS485最多能夠支持32個節(jié)點。

為保證通信無差錯，設(shè)計了循環(huán)冗余校驗碼（CyclicRedundancy Check，CRC）校驗。數(shù)據(jù)的打包和編碼決定了數(shù)據(jù)誤碼率。在所有的校驗方法中，CRC校驗是一種誤碼率最低的校驗方法。通過適當(dāng)?shù)木幋a數(shù)據(jù)基本上可以實現(xiàn)無差錯鏈路。

在本應(yīng)用設(shè)計中使用了10數(shù)位數(shù)據(jù)碼加6位循環(huán)校驗碼的方法進(jìn)行編碼。首先應(yīng)該定義一個CRC校驗碼。先把10位的有效數(shù)據(jù)放在16位數(shù)據(jù)的高10位，然后用這個數(shù)去除一個6位的CRC校驗碼，所得的余數(shù)為一個6位的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)作為冗余碼加到16位數(shù)據(jù)的低6位，完成編碼過程。 基于windows操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序編程，可以選擇Microsoft Visual Basic， Microsoft Visual C++或者TurbC/C++。Microsoft Visual Basic具有簡單易學(xué)，操作方便的特點，可以直接使用Windows控件，視圖界面良好等優(yōu)點。

3 結(jié)語

本設(shè)計針對無線RS485通信接口進(jìn)行了設(shè)計，可實現(xiàn)設(shè)計目的，完成一個生產(chǎn)現(xiàn)場的RS485總線，以構(gòu)成一個小型數(shù)據(jù)傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)，通過該無線RS485總線把現(xiàn)場各設(shè)備儀器儀表與PC機(jī)建立連接。通過該網(wǎng)絡(luò)連接，使得生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)可以對現(xiàn)場傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和統(tǒng)計等工作。同時，PC機(jī)也可以對各現(xiàn)場的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，分配資源，降低管理成本，有利于實現(xiàn)實生產(chǎn)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)化和自動化。