通過RS485串口實現(xiàn)開關(guān)信號的多點監(jiān)測，提高總線的穩(wěn)定性

引言

工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常要采集多點數(shù)據(jù)，模擬信號或開關(guān)信號，一般用到RS485總線，使用一主帶多從的通信方式，該種方式接線方便只需要兩根屏蔽電纜線，通信距離遠最大可支持1500m，加中繼器還可延長通信距離，采用差分信號方式抗電磁干擾好。但該方式通信速度不能太快，一般采用主從召喚的方式采集各子單元的數(shù)據(jù)，即主單元依次召喚各子單元（見圖1），召喚到哪個單元哪個單元上傳數(shù)據(jù)，總線的使用權(quán)完全由主單元分配，各子單元不能擅自占領(lǐng)總線。如果系統(tǒng)的單元多，主單元循環(huán)采集一周的時間就很長，子單元信息變化時不能及時發(fā)送給主單元，導(dǎo)致系統(tǒng)對突變事件的反應(yīng)處理速度慢。本文通過總線狀態(tài)檢測、從機主動上發(fā)的方式解決。

圖1 常規(guī)RS485總線主從方式接口圖

硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由主單元和多個子單元組成（圖2），主單元包括：ARM7微控制器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、與子單元通信RS485、與主單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源；子單元包括：MSP430單片機、與子單元通信RS485、系統(tǒng)電源和通信隔離電源。

圖2 系統(tǒng)框圖

主單元

ARM微控制器是主單元的核心，采用三星32位ARM7TDMI內(nèi)核芯片S3C44B0，該芯片最高處理速度可達76MHZ，總線開放，可外擴程序存儲器FLASH和數(shù)據(jù)存儲器SDRAM，該系統(tǒng)外擴了SST公司生產(chǎn)的39VF1601和現(xiàn)代生產(chǎn)的HY57V641620HG，2個UART串行接口，使用ADI的隔離RS485芯片ADM2483進行接口電平轉(zhuǎn)換，總線狀態(tài)檢測使用74HC125三態(tài)門芯片。

子單元

子單元的微控制器使用TI的MSP430F133單片機，該單片機處理速度可達8MHz，8K字節(jié)片內(nèi)FLASH存儲，256K字節(jié)片內(nèi)SRAM。

電源電路

電源電路采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源輸入電壓范圍比較寬，輸出直流電壓5V，通過SP1117-3.3和SP1117-2.5芯片輸出3.3V電源。RS485需要的隔離5V電源通過DC-DC模塊得到。

總線檢測電路

總線狀態(tài)檢測使用74HC125三態(tài)門芯片和單片機的兩個I/O（圖3），當(dāng)系統(tǒng)都不使用總線時，每個單元的74HC125都輸出高阻狀態(tài)，此時總線為低電平，當(dāng)有單元要使用總線時，他首先檢測總線狀態(tài)，如果總線為低電平，該單元迅速把74HC125改為輸出狀態(tài)，此時總線變?yōu)楦唠娖?，該單元占領(lǐng)總線，往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)完成再把74HC125改為高阻狀態(tài)。如果檢測到總線是高電平，等待檢測，直到總線變低后再占領(lǐng)總線。

圖3 總線檢測電路

隔離485電路

使用ADI的ADM2483芯片進行接口電平轉(zhuǎn)換（圖4），該芯片屬于隔離485，雙電源供電輸入輸出隔離。

圖4 隔離485電路

軟件設(shè)計

主機程序部分需要實現(xiàn)各從機上傳數(shù)據(jù)的接收、處理和上傳。主機接收子單元信息通過一個RS485串口實現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式為16進制，數(shù)據(jù)位8位，1個起始位，1個結(jié)束位，無寄偶校驗位，波特率9600bps。采用串行口中斷的方式接收，主機程序初始化完成后等待各從機發(fā)送信息，當(dāng)主機接收到第一個字節(jié)后，判斷該字節(jié)是否為設(shè)備號，如果不是設(shè)備號，接收個數(shù)清零，如果是設(shè)備號繼續(xù)接收第二個字節(jié)；判定第二個字節(jié)是否為正確的功能碼，如果功能碼錯誤，接收個數(shù)清零重新接收，功能碼正確；接收第三個字節(jié)，該字節(jié)為從單元發(fā)送信息的字節(jié)個數(shù)x，計算從單元發(fā)送總字節(jié)個數(shù)為M=X+3+2，3個開頭字節(jié)和2個CRC校驗碼，主機接收到M個字節(jié)后，首先判斷CRC校驗碼是否正確，錯誤舍棄所有信息，正確則把從單元的信息保存到數(shù)據(jù)區(qū)，該次接收結(jié)束，主機繼續(xù)等待接收。

信息的上傳通過一個RS232串口實現(xiàn)。當(dāng)主機接收到從機信息后，進行數(shù)據(jù)的處理，發(fā)現(xiàn)從單元信息發(fā)生變化，主機準備把從機信息發(fā)送到上位機，首先重新初始化發(fā)送緩沖區(qū)，然后通過中斷的方式依次發(fā)送信息到上位機，發(fā)送信息包括設(shè)備號、功能碼、發(fā)送字節(jié)個數(shù)、信息字節(jié)和CRC校驗碼。

主機單元接收數(shù)據(jù)流程圖示于圖5。

圖5 程序流程圖

結(jié)語

所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了開關(guān)信號的多點監(jiān)測，一個主機單元，32個從機單元，每個從機單元監(jiān)測32個開關(guān)，該系統(tǒng)共可監(jiān)測1024個開關(guān)，使用9600bps的波特率。采用主從召換的方式，開關(guān)信號監(jiān)測的反應(yīng)時間一般要用20-30s，使用該種總線檢測的方式，開關(guān)信號的反應(yīng)速度最慢也不超過1s，快時只有幾百ms，大大提高反應(yīng)時間，并且由于不用時時召喚，總線數(shù)據(jù)流少，提高了總線的穩(wěn)定性。

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