PC机与多台单片机实时通信系统的设计与实现

1 引言

集散控制系统(DCS)又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型技术。在现代化工业过程控制系统中，集散控制系统已成为过程自动化系统发展的主流。然而，在工业控制领域，控制系统除了要求具有极高的可靠性外，还必须具有较强的实时响应能力和友好的人机交互界面。

本系统主要通过PC机与多台单片机构成小型集散控制系统来进行通信，既充分利用PC机丰富的软硬件资源实现友好的人机界面，又通过RS-232C/485总线结构与8251单片机进行通信，对多台单片机进行数据采集和处理。

2 控制系统硬件电路设计

本系统在电路形式上比较简单，其原理框图如图1所示。

2.1 通信控制器电路分析与设计

通信控制器的主要作用是完成主机和从机之间的通信。控制器的核心是一台AT89S51单片机，它仅具有一个可编程的全双工串行通信接口，而作为通信控制器需要同时与主机(PC机)和从机进行串行通信，因此就利用单片机的并行数据接口实现串口的扩展，这里选择了8251作为单片机的串口扩展芯片。8251是用于串行数据通信的USART(通信同步/异步收发器)，它可以从单片机接收并行数据转换为串行数据发送出去，也可以从外部接收串行数据转换为并行数据传送至单片机。并且8251仅占用2个外部数据空间地址单元，对它的读、写访问如同访问外部RAM一样方便， 、 信号均由单片机提供，需要设计的只有片选信号。此外，8251提供的RXRDY和TXRDY引脚可以用来触发单片机的外部中断，通知单片机8251可以进行新数据的发送或已经接收到新的数据。根据 8251的特性设计的单片机串口扩展电路如图2所示。

图2  基于8251的单片机串口扩展电路

从图2可以看出，8251的指令/数据选择引脚接到了单片机的地址线A0，这样可以通过2个不同的地址来区分对8251的命令写、数据写或状态读、数据读。进一步分析可以发现8251的片选引脚 与单片机地址线A15通过反相器后的相连，使得8251在外部数据空间8000H～FFFFH之间32KB的范围内可以随意选择地址，这里选择8000H(访问数据)和8001H(访问指令 /状态)两个地址。8251的RXRDY引脚通过一个非门后连接至单片机的 引脚，当8251从主机接收到数据时就会引起单片机中断。

MC14060用于为8251提供时钟信号，其中包括用于产生8251内部的时钟CLK、用于决定发送数据传输速率的时钟 和用于决定接收数据传输速率的时钟 。CLK连接到MC14060的OUT2输出引脚， 和 同时连接到MC14060的Q5输出引脚。MC14060的时钟输入频率为2.4576MHz，则OUT2引脚输出的频率为2.4576MHz，Q5引脚输出的频率为2.4576MHz/25=76.8kHz。那么8251发送数据的时钟 和接收数据的时钟 均为76.8kHz，通过单片机编程将8251的数据传输速率因子设置为1/16，则8251的串口发送和接收数据的波特率为76800/16=4800bit/s。

控制器与主机的通信是通过8251来实现的，8251带有一个全双工的串口，但它的串行数据接口并不是RS-232C标准串口，必须通过外接RS-232 收发器芯片才能与主机的串口连接起来通信，这里选择的RS-232收发器芯片是MAXIM公司的MAX232C。MAX232C包含两个发送器和两个接收器，这里只需使用其中任意一组发送器和接收器即可。

由于控制器与从机之间的通信是多点的串行通信，所以选择了MAXIM公司的MAX485芯片来实现控制器与从机之间的多机通信系统。因为信号在传输线上传送时，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象从而影响信号的远距离传输，所以必须采用匹配的办法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般在 110～130Ω之间，它与线的绝缘材料的厚度及导线的直径有关，所以通常在RS-485总线末端接入120Ω的电阻是为了对通信线路进行阻抗匹配。

由于MAX485为半双工通信方式，不能同时发送和接收数据，只能通过控制和DE引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。这里将MAX485的和DE引脚连在一起接到单片机的P10口，通过单片机的P10口来控制MAX485发送数据和接收数据的转换，当P10为低电平时MAX485处于接收数据状态，而当P10为高电平时MAX485则处于发送数据状态。MAX485的RO引脚接到单片机的串口接收引脚RXD， MAX485的DI引脚接到单片机的串口发送引脚TXD。

在通信速率要求不是很高的情况下，RS-485总线的通信距离可以达到1200m，这样就可以通过多台单片机来构建一个远程多机通信系统。

2.2 从机部分硬件电路分析与设计

在本系统中，从机主要完成信号采集与显示输出。这里采用A/D转换芯片ADC0804完成模拟信号的采集。基于ADC0804所设计的A/D采集电路采用阻容元件来搭建ADC0804的时钟电路。电阻R=10k，电容=150p，经计算，时钟频率

电位器RP1用于提供ADC0804的参考电压，调整电位器，使ADC0804的Vref/2引脚的电压为2.56V。电位器RP2用于提供ADC0804的输入电压，调整RP2即可使输入电压在0～5V内变化。将ADC0804的 引脚接到单片机的 引脚，即每次ADC0804转换完成后就会使单片机进入中断来处理ADC0804输出的8位数字信息。

此外，从机还要将主机发送过来的信息显示出来，以表明从机接收到了主机发来的信号。系统中采用了8个LED连接到单片机的P2口作为显示输出，可以将主机发送过来的十六进制数据以二进制方式显示出来。由于单片机端口的驱动能力有限，不能用高电平直接驱动LED，所以将LED采用共阳极接法。

在从机工作的过程中，可能会出现各种异常状况，需要将报警信息及时反馈给主机。为了模拟从机异常报警过程，在单片机的外部中断 输入端连接一个按键，利用按键触发外部中断来报警。当按下键时，从机会将报警信息发送给控制器，控制器收到后再将报警信息传递给主机，在主机界面上就会弹出一个对话框显示是几号从机报警。

3 集散控制系统软件设计

3.1控制器和从机的软件设计

控制器软件设计的主要任务是完成主机和从机之间的数据交换，而从机软件设计的主要任务是完成A/D采集并将采集的数据上传给控制器，能够将主机发送过来的数据输出显示，而且可以通过按键中断触发报警。

控制器与主机之间的通信是通过8251来实现的，8251的功能配置由单片机通过软件编程方式实现，单片机可以通过8位并行数据接口向8251写入待发送的数据、命令或者从8251读出接收的数据、状态。在软件设计上可以分为两部分，一部分是控制器向主机发送数据，另一部分是控制器从主机接收数据，程序流程图分别如图3和图4所示。注意必须先读取8251的状态字，当发送数据标志位TXRDY为1时才能通过8251向主机发送数据。控制器在中断服务程序中处理从主机接收到的数据。

控制器与从机间的通信主要是利用了51单片机串口的多机通信功能。在多机通信中，为了保证主机与所选择的从机实现可靠的通信，必须保证通信接口具有识别功能，可以通过控制单片机的串口控制寄存器SCON中的SM2位来实现多机通信功能。控制器和从机在接收串行数据时均采用中断方式。控制器与从机通信是通过MAX485来实现的，必须先将单片机的P10口置1，使MAX485处于发送数据的状态，然后才能发送数据，发送完数据后必须将单片机P10口置 0，使MAX485处于接收数据的状态。

从机的A/D采集采用中断方式通知从机接收数据。当从机接收到的数据为#0AAH时，从机就将A/D转换的数据发送给控制器，发送的数据每隔1s更新一次；当数据为#0BBH时，从机就停止向控制器发送A/D转换的数据；当数据为其它时就输出显示。由于在实际应用中前端控制系统可能会出现各种各样的报警信息，所以在这里通过一个按键触发中断来模拟报警情况的发生。

3.2 主机通信控制软件设计与测试

3.2.1 主机通信控制软件设计

主机控制软件设计主要是针对串口的操作，通过建立主界面对话框及添加变量，串口初始化，串口事件消息处理，发送数据，查看数据，选择从机号查看状态，选择从机号控制状态并且编写VC++程序来实现可视化界面及其功能。

3.2.2 从机状态控制测试

在测试时，将主机、控制器和两台从机全部连上，在主机对话框的从机状态控制栏里，选择1号机，在编辑框中输入十六进制数据“12”，然后点击“发送”按钮，如图5所示。1号机收到数据后就会将数据用8位LED以二进制方式显示出来，LED显示为“00010010”。

图5 从机状态控制测试 

图6 从机状态控制测试     

 图7 显示1号机报警信息

3.2.3 从机状态查看测试

在从机状态查看栏里，选择1号机，点击查看按钮，如图6所示，编辑框里就会将1号机A/D采集到的数据以十六进制的方式显示出来。当调整ADC0804的输入电压时，编辑框中的数据就会随着输入电压的变化每隔1s更新一次。同样，当查看2号机时，也能够正常工作。

3.2.4 从机报警测试

在从机部分通过按键触发中断的方式来模拟报警情况的发生，当按下1号机的按键时，在主机的界面上就会弹出一个菜单显示“1号机报警”，如图7所示；当按下2号机的按键时，在主机的界面上就会弹出一个菜单显示“2号机报警”。

4 结论

针对集散控制系统的广泛应用，提出了一种新的由一台PC机和多台单片机组成的一个小型集散控制系统的结构，实现了PC机与多台单片机间的通信任务。本文作者创新点:既充分利用PC机丰富的软硬件资源实现友好的人机界面，又通过RS-232C/485总线结构与8251单片机进行通信，对多台单片机进行数据采集和处理。本系统不仅硬件实现简单，而且软件实现可靠。通过长时间长距离的测试，证明该方法思路简单，价格低、功能强、抗干扰能力好、温限宽、通讯可靠，是一种有效的多机通讯方法。同时，系统可以通过串口通讯，扩展为更高级别的集散控制系统。因此，这种小型集散控制系统有着广阔的应用前景。

参考文献

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