基于RS 485單片機多機串行通信的電子開關設計

摘要：針對大中型傳送帶傳送過程中位置跑偏的檢測，設計了基于RS 485單片機多機串行通信的電子開關。介紹了該電子開關的總體方案及硬件電路設計，該電子開關采用RS 485通信，不僅抗干擾能力好，并能夠實現長距離通信且可以避免多個從機同時與主機通信時產生數據沖突的問題。實驗表明，該電子開關結構簡單、性能穩定，可應用于工業控制、檢測等領域中。
關鍵詞：RS 485；單片機；串行通信；電子開關

0 引言
目前多機串行通信是通信控制領域的主流通信方式，數據通信、計算機網絡、分布式工業控制系統及其測控領域中，經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絡，RS 485既是物理層的協議標準，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絡。RS 485通信方式有很多優點，首先它的通信距離比較遠，通常可以做到數百米甚至千米以上，而且還可以實現多點通信方式，從而可以建立一個小范圍內的局域網，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定的傳輸。

1 總體方案及硬件設計
該電子開關系統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據信號，并通過液晶顯示器和發光二極管顯示，同時采用RS 485總線主從機可以實現長距離通信。主從機采用的主要核心芯片均為單片機，考慮單片機性能及實際運行環境的需要，選用AT89S51單片機，串行通信網絡結構如圖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生的相應的數據信號)發送到主機。
(3)通過液晶顯示發送信號的從機地址，同時可以通過發光二極管顯示信號的級別(這里兩個發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，并將被測信號數據發送給主機。
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與從機之間的遠距離串行通信，使用MAX485芯片來實現。
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據的發送和接收。

2 設計實現原理
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、監視串行口工作狀態、發送與接收的狀態控制等。P3．0／RXD為串行通信接收端，P3．1／TXD為串行通信發送端。
主機端口P0．0～P0．7作為液晶顯示器的數據線，P0口上拉10 kΩ電阻與1602液晶的D0～D7數據端相連，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引腳接兩個發光二極管，用來顯示從機發送信號的級別。
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，最終由從機P1．0和P1．1這兩個引腳將行程開關的狀態發送到主機，主機讀取狀態值并且顯示。
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生，如果沒有，主機將查詢n-1號從機，如果有信號產生，主機接收到信號并存儲該從機的主機編號，分別通過發光二極管和液晶顯示出來，如果n-1號從機繼續有信號產生，主機繼續接收，直到接收完畢，主機將查詢n-2號從機，如此往復。從機的個數可以在主機程序中對從機個數n值進行設定。
2．1 多機串行通信及通信協議
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。
2．1．1 發送器和接收器
AT89S51串行口主要由發送器、接收器和串行控制寄存器組成。發送器主要由發送緩沖寄存器SBUF和發送控制器組成。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、監視串行口工作狀態、發送與接收的狀態控制等。它是一個既可字節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”，八個數據位，一個可編程第九數據位和一個停止位“1”。其中可編程位是SCON中的TB8位，在八個數據位之后，可作奇偶校驗位或地址／數據幀的標志位使用，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和發送或接收的第9數據位(D8)。
電子開關多機串行通信的實現流程：
(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，將地址信息發送給從機，并等待是否發送完畢，從機等待主機發送地址。
(3)從機接收到地址與本機地址核對，核對正確，置SM2=0，向主機發送應答地址并等待發送完畢，主機接收之后進行地址確認，并置TB8=0。
(4)從機地址發送完畢后，接著發送信號數據并等待發送完畢。
(5)主機接收到數據將從機編號發送到液晶顯示，將信號數據發到發光二極管顯示信號級別。