基于RS485接口的数据传输电路设计单片机技术课程设计说明书Word格式文档下载.docx

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完成日期

2013年6月18日

1.概述

单片机是一种采用超大规模集成电路技术把多种功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域随着计算机技术的发展及工业自动化水平的提高,在许场合采用单机控制已不能满足现场要求,因而必须采用多机控制的形式,而多机控制主要通过多个单片机之间的串行通信实现。

串行通信作为单片机之间常用的通信方法之一,由于其通信编程灵活、硬件简洁并遵循统一的标准,因此其在工业控制领域得到了广泛的应用。

本次课程设计就是利用单片机，基于RS-485芯片，设计一种简单的多机通信——一主两从。

　RS一485接口是一种基于平衡发送和差分接收的串行总线,具有很强的抗共模干扰能力,在适当的波特率下传输距离远;

同时易于进行网络扩展,被广泛的应用在很多工业现场。

　节能灯寿命检测环境中,主要干扰来自开关和寿命检测的强电干扰、开关产生的电磁干扰、空气循环设备的干扰等等;

同时由于寿命检测环境温度高,强电系统复杂,也给系统的运行提出更高的要求。

寿命检测系统要求实时报告每一盏节能灯的运行状态、环境温度、电压等,并在寿终计算出节能灯寿命、光通等参数。

可见系统的传输数据量大,实时性强,因此物理总线的拓扑结构和通信协议尤为关键。

1.1总设计方案

在多机通信中，最重要的是保证通信有条不紊地进行，因此需要严格的通信协议和完善的通信软件，本次课程设计就是利用RS－485电气特性和简单的结构方式，基于RS-485的多机通信系统，采用自定义串行通信协议，实现2个通信终端之间互相通信的功能

该设计方案通信距离远、抗干扰能力强也可实现主机与从机的通信，但不能实现从机之间的通信。

RS-485方式构成的多机通信系统采用主从式结构：

主机控制多个从机，作为从机的单片机不主动发送命令或数据，一切都由主机单片机控制；

并且在一个多机系统中，只有一台主机，各台从机之间不能相互通信，即使有信息交换也必须通过主机转发。

采用RS-485构成的多机通信系统原理。

在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，使得正常传输信号无毛刺。

匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。

在总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。

将总线上的差分信号的正端A+和负端B-之间接一个10K的电阻；

负端B-和地间接一个10K的电阻，形成一个电阻网路。

当总线上没有信号传输时，正端A+的电平大约为3.2V，负端B-的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，也很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。

1.2设计要求：

设计一个RS485接口并能实现双机通讯的单片机应用系统。

1.3设计方案：

本次设计，对于两片89C51，采用RS485进行双机通信。

发送方的数据由串行口TXD段输出，经过电平转换芯片MAX485将TTL电平转换为RS485电平输出，经过传输线将信号传送到接收端。

接收方也使用MAX485芯片进行电平转换后，信号到达接收方串行口的接收端。

接受方接收后，在数码管上显示接收的信息。

为提高抗干扰能力，还可以在输入输出端加光耦合进行光电隔离。

软件部分，通过通信协议进行发送接收，主机先送AAH给从机，当从机接收到AAH后，向主机回答BBH。

主机收到BBH后就把数码表TAB[16]中的10个数据送给从机，并发送检验和。

从机收到16个数据并计算接收到数据的检验和，与主机发送来的检验和进行比较，若检验和相同则发送00H给主机；

否则发送FFH给主机，重新接受。

从机收到16个正确数据后送到一个数码管显示。

选择STC单片机作为控制MCU，用6N137高速光耦进行隔离，其结构图如图所示。

1.4设计系统流程图

首先判断是接收中断还是发送中断，若是接收中断，则清除RI，同时启动字符间隔定时器TO，并置收发标志为收。

当接收完第2个字节后，各从机立即判断是否寻址本机，若是，则置SM2为‘0’，继续接收主机送来的数据；

若不是，则禁止T0定时，不在接收后面的数据。

当被寻址从机接收完一帧信息后，字符间隔定时器会产生定时中断，进入TO中断服务程序。

下图是TO中断服务程序流程图。

进入TO中断服务程序后，首先清除TO中断请求标志，停止TO定时器，接着判断是接收完成还是发送超时，若是接收完成，再判断校验和是否正确，若正确，对接收的命令进行解释，看是主机读还是主机写操作，若是主机读，则将数据打包，送到专门用于通信的数组，接着，禁止接收，置本机为应答工作方式，最后启动发送，发送第一个字节，同时启动发送时限定时器TO。

当一个字节发送完后，便进入通信中断服务程序，继续发送余下数据。

如果在上边判校验和时，发现不正确，则置SM2为‘1’，恢复本机的侦听状态，以便接收主机的重发信息

2RS485硬件问题

2.1问题的提出

在工业控制及测量领域较为常用的网络之一就是物理层采用RS-485通信接口所组成的工控设备网络。

这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。

从目前解决单片机之间中长距离通信的诸多方案分析来看，RS-485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。

但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485总线运行可靠性至关重要。

2.2电路基本原理

　　某节点的硬件电路设计如图1所示，在该电路中，使用了一种RS-485接口芯片SN75LBC184，它采用单一电源Vcc，电压在＋3～＋5.5V范围内都能正常工作。

与普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，片内集成4个瞬时过压保护管，可承受高达400V的瞬态脉冲电压。

因此，它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。

对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。

该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。

另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24kΩ），故可以在总线上连接64个收发器。

芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频分量，从而有效扼制电磁干扰。

在图1中，四位一体的光电耦合器TLP521让单片机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性。

基本原理为：

当单片机P1.6=0时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出高电压（＋5V），选中RS485接口芯片的DE端，允许发送。

当单片机P1.6=1时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出低电压（0V），选中RS485接口芯片的RE端，允许接收。

SN75LBC184的R端（接收端）和D端（发送端）的原理与上述类似。

2.3RS-485的DE控制端设计

　　在RS-485总线构筑的半双工通信系统中，在整个网络中任一时刻只能有一个节点处于发送状态并向总线发送数据，其他所有节点都必须处于接收状态。

如果有2个节点或2个以上节点同时向总线发送数据，将会导致所有发送方的数据发送失败。

因此，在系统各个节点的硬件设计中，应首先力求避免因异常情况而引起本节点向总线发送数据而导致总线数据冲突。

以MCS51系列的单片机为例，因其在系统复位时，I/O口都输出高电平，如果把I/O口直接与RS-485接口芯片的驱动器使能端DE相连，会在CPU复位期间使DE为高，从而使本节点处于发送状态。

如果此时总线上有其他节点正在发送数据，则此次数据传输将被打断而告失败，甚至引起整个总线因某一节点的故障而通信阻塞，继而影响整个系统的正常运行。

考虑到通信的稳定性和可靠性，在每个节点的设计中应将控制RS485总线接口芯片的发送引脚设计成DE端的反逻辑，即控制引脚为逻辑“1”时，DE端为“0”；

控制引脚为逻辑“0”时，DE端为“1”。

在图1中,将CPU的引脚P1.6通过光电耦合器驱动DE端，这样就可以使控制引脚为高或者异常复位时使SN75LBC184始终处于接收状态，从而从硬件上有效避免节点因异常情况而对整个系统造成的影响。

这就为整个系统的通信可靠奠定了基础。

　　此外，电路中还有1片看门狗MAX813L，能在节点发生死循环或其他故障时，自动复位程序，交出RS-485总线控制权。

这样就能保证整个系统不会因某一节点发生故障而独占总线，导致整个系统瘫痪。

2.4避免总线冲突的设计

　　当一个节点需要使用总线时，为了实现总线通信可靠，在有数据需要发送的情况下先侦听总线。

在硬件接口上，首先将RS-485接口芯片的数据接收引脚反相后接至CPU的中断引脚INT0。

在图1中，INT0是连至光电耦合器的输出端。

当总线上有数据正在传输时，SN75LBC184的数据接收端（R端）表现为变化的高低电平，利用其产生的CPU下降沿中断（也可采用查询方式），能得知此时总线是否正“忙”，即总线上是否有节点正在通信。

如果“空闲”，则可以得到对总线的使用权限，这样就较好地解决了总线冲突的问题。

在此基础上，还可以定义各种消息的优先级，使高优先级的消息得以优先发送，从而进一步提高系统的实时性。

采用这种工作方式后，系统中已经没有主、从节点之分，各个节点对总线的使用权限是平等的，从而有效避免了个别节点通信负担较重的情况。

总线的利用率和系统的通信效率都得以大大提高，从而也使系统响应的实时性得到改善，而且即使系统中个别节点发生故障，也不会影响其他节点的正常通信和正常工作。

这样使得系统的“危险”分散了，从某种程度上来说增强了系统的工作可靠性和稳定性。

2.5RS-485输出电路部分的设计

　　在图1中，VD1～VD4为信号限幅二极管,其稳压值应保证符合RS-485标准，VD1和VD3取12V,VD2和VD4取7V,以保证将信号幅度限定在-7～+12V之间，进一步提高抗过压的能力。

考虑到线路的特殊情况（如某一节点的RS-485芯片被击穿短路），为防止总线中其他分机的通信受到影响，在SN75LBC184的信号输出端串联了2个20Ω的电阻R1和R2，这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。

在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以线路设计时，在RS485网络传输线的始端和末端应各接1个120Ω的匹配电阻（如图1中的R3），以减少线路上传输信号的反射。

2.6系统的电源选择

　　对于由单片机结合RS-485组建的测控网络，应优先采用各节点独立供电的方案，同时电源线不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。

RS-485信号线宜选用截面积0.75mm2以上的双绞线而不是平直线,并且选用线性电源TL750L05比选用开关电源更合适。

TL750L05必须有输出电容，若没有输出电容，则其输出端的电压为锯齿波形状，锯齿波的上升沿随输入电压变化而变化，加输出电容后，可以抑制该现象。

2.7软件的编程

　　SN75LBC184在接收方式时，A、B为输入，R为输出；

在发送方式时，D为输入，A、B为输出。

当传送方向改变一次后，如果输入未变化，则此时输出为随机状态，直至输入状态变化一次，输出状态才确定。

显然，在由发送方式转入接收方式后，如果A、B状态变化前，R为低电平，在第一个数据起始位时，R仍为低电平，CPU认为此时无起始位，直到出现第一个下降沿，CPU才开始接收第一个数据，这将导致接收错误。

由接收方式转入发送方式后，D变化前，若A与B之间为低电压，发送第一个数据起始位时，