基于RS485总线的远程数据采集模块的构建设计

蒋雪昀

（青岛工学院机电工程学院，山东青岛 266300）

1 引言

随着现代工业不断向信息化和规模化的方向逐渐发展，工业控制系统需要采集的控制信息越来越多，对系统数据采集的速度和精度要求也越来越高。传统的数据采集方法无法满足在实际中的要求，作为应用新的数据采集技术的单片机应运而生。随着单片机技术的不断发展，搭建可靠性高，成本低廉，部署快速的数据采集模块就显得很有必要。复杂电磁环境，须使用有较高抗电磁辐射干扰能力的模块。总线传输模块RS485 由于具有较强的抗电磁干扰能力而被发现和使用。基于该模块构建的数据信息传输系统，也就具有了较好的抗电磁干扰能力，呈现出可靠的稳定性[1]。

2 设计方案

2.1 系统的工作原理

原理：由于RS485 总线具有平衡差分传输的特性，其抗干扰能力强，传输距离远，具有很强的级联能力。它可以实现远程多站的通信，成本低，组网方便，并已广泛应用于工业控制领域。这里的上位机选择“组态王”，下位机选择芯片与单片机。基于RS485 总线的远程数据采集模块的连接图如图1所示。

图1 基于RS485 总线的远程数据采集模块的连接图

A/D 转换模块由单片机进行控制，单片机读取A/D 转换芯片的数据，并通过RS485 总线将数据传输至组态王。工作时，模块作为从设备，等待组态王发送数据查询命令，命令中包括数据类型及所通信的设备地址，单片机与程序内部中的地址相比较，若相同，则建立点对点的连接，通过485 接口电路，将TTL 电平转化为RS485 电平进行数据发送。

2.2 系统的总体设计

通过使用RS485 总线，可以使其进行远距离传输。总体结构如图2所示。

图2 远程数据采集模块总体结构图

由图2可以看出，系统主电路采用的是以AT89C52 为核心，以ADC0808 作为模拟量采集端口，MAX487 芯片将TTL电平转换为RS485 电平。传感器检测到的物理量经过信号调理电路转变为0～5 V 的标准信号、由A/D 采样后将数字量传送到单片机系统中，单片机根据与上位机通信协议来传输送数据，并把测量数据传送到组态王从而实现实时监控。

3 系统的硬件设计

3.1 单片机最小系统及资源分配

本设计中A/D 转换模块，需要8 个IO 口，3 位数据地址选择控制端A、B、C，A/D 转换采用循环查询转换方式，需要串行通信接口。单片机AT89C52 系统的资源完全可以满足系统设计的资源要求，所以设计中单片机采用AT89C52。

3.1.1 单片机的微结构

AT89C52 单片机最小系统包括数个晶体振荡器、回（复）位电路，开关电路，其中晶振方式采用内部时钟方式，外接石英晶体振荡器，接电容C1 和C2 分别为30 pF，人工复位方式为按键复位，即单片机复位端RST 通过100 Ω 的电阻与VCC电源连接，按下开关后RST 变高，开关弹起后RST 端经1 kΩ电阻后接地，从而实现复位[2]。具体连接如图3所示。

图3 单片机的最小系统图

在图3中，晶体振荡器X1 的频率为11.059 2 MHz，选用这个晶振频率是为了产生各种标准的波特率发生频率为11.059 2 MHz。电阻R2 和C3 电容的电路组成单片机的上电复位电路。在单片机通电的过程中，R2 和C3 在上电时产生一个负脉冲通过RST 引脚复位。复位时复位信号要使用大于2 个机器周期的高电平，R2 和C3 分别是100 Ω 和22 uF，满足时钟宽度要求，按键用于人工复位。EA 为1 时，CPU 访问内部程序存储器。

3.1.2 单片机的资源分配

对于数据采集模块，需要一个串口进行通信，需要定时器来产生相应的波特率，需要8 位数据输出端AD0～AD7，3位数据地址选择控制端A、B、C，地址锁存允许ALE 经分频后输给ADC0808 作为时钟信号，AT89C52 的资源完全可以满足要求。

3.2 A/D 转化模块的硬件设计

3.2.1 A/D 转换器原理

ADC0808 是CMOS 单片型逐次逼近式A/D 转换器，内部结构如图4所示。

图4 ADC0808 内部结构图

首先输入3 位地址，并拉高ALE，将地址锁入地址锁存器中。此地址经译码后选通8 路模拟输入之一到A/D 转换器。START 接收到上升沿时将逐次逼近寄存器复位。下降沿便启动A/D 转换，之后EOC 被拉低，说明A/D 转换正在进行。A/D 转换完成之后，EOC 被拉高，说明A/D 转换已经完成，数据已存入内部的锁存器，需等待三态门打开才会输出数据，这个信号可以作为中断申请[3]。当OE 输入“1”时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

3.2.2 转换芯片硬件连接

图5为ADC0808 连接图。

图5 ADC0808 连接图

由于ADC0808 可以与AT89C52 单片机直接相连。初始化时，使START 和OE 信号全为低电平。转换通道的地址要连接到ADD A、ADD B、ADD C 端口上。当要开始转换时，先将地址输出到ADC0808 的ABC 端，再将ALE 拉高，锁定地址，START 接收到一个正脉冲，启动A/D 转换。启动转换后的一段时间，单片机去读取数据，并发送到上位机，完成一次数据采集。ALE 输出频率为晶振的1/6，约为1.9 MHz，再经过四分频电路后可以得到480 kHz 的脉冲，可以满足ADC0808 的工作要求。模拟信号输入通道的选择与地址选择输入端的对应为：通道IN0 对应输入地址ADD A:0（字节）,ADD B:0（字节）,ADD C:0（字节）；通道IN1 对应输入地址ADD A:1（字节）,ADD B:0（字节）,ADD C:0（字节）；通道IN2 对应输入地址ADD A:0（字节）,ADD B（字节）:1,ADD C:0（字节）；通道IN3对应输入地址ADD A（字节）:1,ADD B:1（字节）,ADD C:0（字节）；通道IN4 对应输入地址ADD A:0（字节）,ADD B:0（字节）,ADD C:1（字节）；通道IN5 对应输入地址ADD A:1（字节）,ADD B:0（字节）,ADD C:1（字节）；通道IN6 对应输入地址ADD A:0（字节）,ADD B:1（字节）,ADD C:1（字节）；通道IN7 对应输入地址ADD A:1（字节）,ADD B:1（字节）,ADD C:1（字节）。

3.3 通讯接口

3.3.1 RS485 简介

采用差分信号负逻辑，逻辑低电平以两线间的电压差为+2 V～+6 V 表示。逻辑高电平以两线间的电压差为-2 V～-6 V表示。RS-232-C 比接口信号电平高，就不易损坏接口电路的芯片，RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分，接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。连接RS-485 通信链路时用一对双绞线将各个接口的A、B 端连接起来[4]。

3.3.2 RS485 电平与TTL 电平的转换

在RS485 中规定：接口两端（设为A、B）的电压差高于+2V 时为逻辑1，低于-2 V 伏时为逻辑0。工作电源为+5 V，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式的MAX487 完成将TTL 电平转换为RS485 电平的功能。MAX487 引脚结构如图6所示。

图6 MAX487 引脚结构

从图6中能看出MAX487 的内部是由驱动器和接收器组成的。与单片机连接时只需RO 和DI 分别与单片机的RXD 和TXD 相连即可，RO 是接收器的输出，DI 是驱动器的输入端，/RE 是接收使能端DE 是发送使能端，A 端和B 端分别为接收和发送的差分信号端。同时，A 和B 端加上阻值约为120 Ω 的匹配电阻。单片机与芯片连接图见图7。

图7 单片机与MAX487 连接图

4 软件设计

程序主体主要分3 个部分：命令接收部分、命令分析部分以及A/D 转换部分。其中通信程序中的接收部分的优先级最高，A/D 转换部分优先级最低。其总体流程如图8所示。

图8 总体流程图

4.1 单片机的串口设置

为了支持RS-485 通信，需要对单片机的串行口进行设置。通信串行口的工作由串行口控制寄存器SCON 和电源管理寄存器PCON 控制。

串行口控制寄存器SCON 用以设定串行口的工作方式、多级通信控制、接收/发送状态，发送/接受中断状态。由于数据采集系统传送的数据是由10 位二进制数组成的，所以选择串行口工作方式1，即SM0、SM1 设置为“01”，波特率由单片机定时器设置，单片机时钟晶振选为11.059 2 MHz，波特率选为19 200 bit/s，所以设置SMOD=0，RCAP2H=0xff；RCAP2L=0xee[5]。

串口初始化程序如下：

void serial_init () {

ctrl=0;

SCON= 0x50;

C_T2=0;

RCLK=1;

TCLK=1;

TMOD=0x20;

RCAP2H=0xff;

RCAP2L=0xee;

TR2=1;/*enable Timer2 run*/

ES=1; REN=1; EA=1; SM2=1; /*SM2=1 时收到的第9 位为1 才置位RI 标志*/

}

4.2 A/D 转换模块程序的设计

对于A/D 转换模块，当要对其读取数据时，先将ADC0808 的START 和ALE 引脚拉低，此时可以将通道选择地址输入ADC0808 的ABC 地址端口。流程见图9。

图9 A/D 转换流程图

对应程序如下：

start=0; //使0808 复位

oe=0; //数据三态门不允许输出

adca=0;adcb=0;adcc=0;start=1;//锁定地址

start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[1]=P0;//启动AD 转换，并将转换后的数据放入P0

for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0; //复位，准备下次转换

adca=1;adcb=0;adcc=0;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[2]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=0;adcb=1;adcc=0;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[3]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=1;adcb=1;adcc=0;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[4]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=0;adcb=0;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[5]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=1;adcb=0;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[6]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=0;adcb=1;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[7]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

adca=1;adcb=1;adcc=1;start=1; start=0;oe=1;for(i=0;i<=40;i++) {} d[8]=P0;for(i=0;i<=40;i++) {} start=0; oe=0;

地址锁存之后，延时一段再将START 拉高，便启动了A/D转换。延时一小段时间后，便可以向A/D 转换芯片读取数据。单片机控制A/D 转换芯片循环采集每一路的数据，并且存放于数组中。当组态王发来查询指令时，根据数据包中的地址来寻找数组中相应的数据，并将其发送到上位机。

4.3 采集模块与组态王的ASCII 协议

①通讯口使用RS-485 通讯方式。

上位机所设置的参数必须与单片机中的通讯参数一致，例如，波特率、奇偶校验等。

②设备地址的格式。

格式：**．*。

前面的两个字符是设备地址，范围为0～255，此地址是由单片机中的程序决定。

后面的一个字符是用户设定是否打包，“0”为不打包、“1”为打包，如果用户在定义设备没有确定打包，那么上位机就不会处理下位机的时数打包工作，反之则处理。

③寄存器格式在上位电机的定义。

寄存器名称：Xdd；dd 上限：65535；dd 下限：0；数据类型：BYTE、UINT、FLOAT。

注意：在上位机中定义变量时，某一个寄存器根据所选数据类型（如BYTE 占用一个字节，FLOAT 占用四个字节），不同的数据类型会对应不同的寄存器地址，同一数据区内不可交叉定义不同数据类型的变量。BYTE 是单片机从地址0开始的数据类型的变量，相应的变量在上位机中定义的寄存器为X0、X1……每个变量占一个字节。UINT 是单片机从地址100 开始的数据类型的变量，相应的变量的寄存器为X100、X102、X108……每个变量占两个字节。FLOAT 是单片机从地址200 开始的数据类型的变量。在上位机中定义相应的变量的寄存器为X200、X212……每个变量占四个字节。

④上位机与单片机通讯的命令格式。

读写格式（除字头、字尾外所有字节均为ASCII 码）：

字头：1 字节1 个ASCII 码，40H。

设备地址：1 字节2 个ASCII 码，0～255 （即0---0x0ffH）。

CR：0x0d[6]。

标志：1 字节2 个ASCII 码。

数据地址是2 字节4 个ASCII 码，0x0000～0xffff。数据字节数是1 字节2 个ASCII 码，1～100，实际读写的数据的字节数。

⑤组态王发送读命令。

下位机应答：若正常：

例如，读15 号仪表，数据地址为15 的数据。其中数据为100，数据类型为字节，不打包。上位机所发命令如表1所示。

表1 上位机所发数据单位：字节

若正确，则收到表2所示数据。

表2 正确数据单位：字节

4.4 采集模块与组态王的通讯

通讯程序需要完成的功能：接收上位机传来的查询命令，需要解析出所查数据类型、变量名、设备地址、数据字节数，完成校验功能。接收上位机命令的流程如图10 所示。

图10 接收命令流程图

当接收到组态王发来的信息的字头时，开始接收后面的数据，并组成一个数组，用于做校验及识别组态王命令。

单片机在完整接收完组态王发来的命令后，便开始分析命令。分析的流程如图11 所示。

图11 单片机分析数据流程图

5 调试

设计完采集模块后，需要对采集模块进行通信测试。COM1 口连接RS232/RS485 转换器，转换器的AB 端分别接到数据采集模块的AB 端。组态王软件中支持ASCII 协议，所以选用组态王进行通信测试。测试之前要对组态王进行设置，之后设定不同的模拟量，观察能否得到正确的A/D 转换结果。

测试两个采集模块，每个采集模块的AB 端都并联起来，接到RS232/RS485 的转换器上即可。

5.1 组态王设置

因为是在PC 上读取下位机数据，下位机与上位机连接所使用的串口为COM1，因此，在组态王中要选择COM1，首先就要对组态王进行设置，设置步骤如下：

①首先新建一个工程，在工程浏览器中，找到设备选项见图12。

图12 选择连接串口

②找到COM1，在右边选择新建，选择设备时，找到单片机—通用单片机ASCII—串口，之后选择下一步，见图13。

图13 选择设备类型

③给设备设置一个名字，之后串口选择COM1，设备地址中每一个模块都要有自己唯一的地址，用以区分不同的模块。其余的设置选择默认即可。见图14、15。

图14 选择设备所连接的串口

图15 选择设备地址

之后在数据词典中建立相关变量即可。再按照相同的步骤，建立地址为4.0 的设备。

5.2 采集模块的调试

对于前四路每个输入口给定不同的电压，第一路输入3 V，第二路输入0 V，第三路输入5 V，第四路输入2.5 V，观察四路的数据。测试结果见图16。

图16 组态王接收到的数据

对于A/D，0 V 对应的数值为0，5 V 对应的数值为255，转换在实际结果中我们可以看到，在输入不同的模拟量之后，不同地址的模块也得到了相同的结果，结果见表3、4。至此，数据采集模块的基本功能已经实现。

表3 采集模块地址为3 的数据

6 结语

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。对于企业使用组态王可以很方便直观的观察各个传感器发送的数据，而且软件灵活度高，功能强大，易于操作，可以省去很多开发时间，提高效率。因而为配合采集模块，采用了组态王作为监控软件。因为其灵活性极高，可以用在大多数工厂的应用场合。

表4 采集模块地址为4 的数据