盧亞普 陳強 張世福

大慶鉆探工程公司測井公司 大慶 163412

RS485總線調(diào)試設(shè)備的接口設(shè)計

盧亞普 陳強 張世福

大慶鉆探工程公司測井公司 大慶 163412

介紹了RS485總線調(diào)試設(shè)備的實現(xiàn)原理，論述了三種總線接口及通信軟件的實現(xiàn)方法，完成了對石油測井儀器工作狀態(tài)的顯示。

USB；RS232；RS-485；API；奇偶校驗

USB；RS232；RS-485 ；Parity Check

引言

現(xiàn)代石油測井儀器研究和生產(chǎn)過程中,經(jīng)常要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。RS485總線調(diào)試設(shè)備的設(shè)計目的，就是采集儀器信息、顯示儀器工作狀態(tài)，滿足生產(chǎn)調(diào)試需求。此設(shè)備與井下儀器采用RS485總線進(jìn)行通信；與計算機通訊采用U S B和RS232雙接口的設(shè)計。

1 三種總線接口基本原理

USB是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB總線屬一種輪訊方式的總線，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。在每次傳送開始時，主機控制器發(fā)送一個描述傳輸運作的種類、方向，USB設(shè)備地址和終端號的USB數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機到設(shè)備就是從設(shè)備到主機。

RS232個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。異步通信用一幀來表示一個字符，其內(nèi)容如下：一個起始位，僅接著是若干個數(shù)據(jù)位，最后一個停止位。異步通信的好處是通信設(shè)備簡單、便宜，但傳輸效率較低（因為開始位和停止位的開銷所占比例較大）。

RS-485是工業(yè)界使用最為廣泛的雙向、平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口，支持多點連接，允許創(chuàng)建多達(dá)32個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)；具有傳輸距離遠(yuǎn)（最大傳輸距離1200m），傳輸速率快（1200 m時為100kb/s），抗干擾能力強，布線簡單等優(yōu)點。

2 接口硬件電路

2.1 USB接口硬件電路構(gòu)成

U S B接口芯片采用C H系列的CH372芯片，該芯片是一個USB 總線的通用設(shè)備接口芯片，是CH371 的升級產(chǎn)品，是CH375芯片的功能簡化版。 在本地端，CH372 具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機 /DSP/MCU/MPU 等控制器的系統(tǒng)總線上；全速USB 設(shè)備接口，兼容USB V2.0，即插即用，外圍元器件只需要晶體和電容。提供一對主端點和一對輔助端點，支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。該設(shè)備采用8951作為控制器，其接口原理如圖1所示：

圖1 USB接口電路圖

2.2 232接口硬件電路構(gòu)成

51 單片機通過I/O口與PC 機RS232串口實現(xiàn)通信的硬件接口電路如圖2示。5 1單片機的輸入、輸出均采用T T L電平；而PC機采用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)為RS-232。RS-232規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，由于它是在TTL電路之前研制的，所以它的電平不是+5V和地，而是采用負(fù)邏輯，即：

邏輯“0”：+5V～+15V

邏輯“1”：-5V～-15V

因此，RS-232C不能和TTL電平直接相連，使用時必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，否則將使TTL電路燒壞。MAX232芯片就是MAXIM公司專門為PC機RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的電平轉(zhuǎn)換電路。該芯片與TTL/COMS電平兼容，片內(nèi)有2個發(fā)送器，2個接收器，且使用＋5V單電源供電，使用十分方便。圖中 89C51 的 P1.2模擬發(fā)送端，P1.3 模擬接收端。

圖2 232接口電路圖

圖3 485接口電路圖

2.3 485 接口硬件電路構(gòu)成

如圖3，單片機的標(biāo)準(zhǔn)串行口的RX 、TX通過光電隔離電路連接MAX485芯片的RO 、DI引腳，控制芯片R/D同樣經(jīng)光電隔離電路去控制MAX485芯片的DE和RE引腳。由單片機輸出的R/D信號通過光電隔離器件控制MAX485芯片的發(fā)送器、接收器使能；R/D信號為“1”，則M A X 4 8 5芯片的D E和R E引腳為“1”，接收器有效，接收器禁止，此時單片機可以向RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D信號為“0”，則M A X 4 8 5芯片的D E和R E引腳為“0”，接收器禁止，接收器有效，此時單片機可以接收來自RS485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。

3 通信軟件實現(xiàn)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，必須解決好兩個方面的問題：一是可靠性、二是速度。而這兩方面的問題，可靠性是第一位的，速度只能是在可靠的基礎(chǔ)上的速度?？煽靠焖俎D(zhuǎn)輸?shù)膶崿F(xiàn)需要上下位機軟，件以及通信協(xié)議等各個環(huán)節(jié)的可靠和其間的相互配合。在設(shè)計PC— MCU通信協(xié)議時，說明一點：本系統(tǒng)的實際通信中PC機永遠(yuǎn)是主控者，單片機只是被動接收者。

3.1 PC— MCU通信程序設(shè)計

對于不同的PC— MCU應(yīng)用程序，雖然界面不同，但是如果采用串口與主機之間的通信，對串口的處理方式大致相似，無非就是通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)，對于通過串口接收到的數(shù)據(jù)，交給上層軟件處理顯示，對于上層要發(fā)給串口的數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在Win32下，可以使用兩種編程方式實現(xiàn)串口通信，其一是調(diào)用的Windows的API函數(shù)，可以清楚地掌握串口通信的機制，熟悉各種配置和自由靈活采用不同的流控進(jìn)行串口通信；其二是使用ActiveX控件，提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的使用接口，利用它可以建立與串口的連接，并可以通過串口連接到其他通信設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器），發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件和錯誤。后者的主要特點是簡單易學(xué) ，但前者的功能更為強大，控制手段更為靈活。所以本應(yīng)用程序采用在Win32 環(huán)境下調(diào)用 API 函數(shù)來實現(xiàn)與位于下層的設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。具體實現(xiàn)通訊過程如下：

3.1.1 打開串口

Win32系統(tǒng)把文件的概念進(jìn)行了擴展。無論是文件、通信設(shè)備、命名管道、郵件槽、磁盤、還是控制臺，都是用API函數(shù)CreateFile來打開或創(chuàng)建的。該函數(shù)的原型為：

3.1.2 配置串口

主要有一個結(jié)構(gòu)體來配置，DCB結(jié)構(gòu)體。DCB結(jié)構(gòu)包含了諸如波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶校驗和停止位數(shù)等信息。在查詢或配置串口的屬性時，都要用DCB結(jié)構(gòu)來作為緩沖區(qū)。一般用CreateFile打開串口后，可以調(diào)用GetCommState函數(shù)來獲取串口的初始配置。要修改串口的配置，應(yīng)該先修改D C B 結(jié)構(gòu)，然后再調(diào)用SetCommState函數(shù)設(shè)置串口。

3.1.3 讀寫串口

初始化工作完成以后,便可以根據(jù)通信協(xié)議使用ReadFile和WriteFil兩個函數(shù),讀寫各種握手信息和數(shù)據(jù)信息等。ReadFile函數(shù)只要在串口輸入緩沖區(qū)中讀入指定數(shù)量的字符，就算完成操作。而WriteFile函數(shù)不但要把指定數(shù)量的字符拷入到輸出緩沖區(qū)，而且要等這些字符從串行口送出去后才算完成操作。如果通信事件一直沒有發(fā)生，系統(tǒng)將不會繼續(xù)執(zhí)行。在實際程序設(shè)計中，我們可以設(shè)置一時限，超過此時限通信事件未到則執(zhí)行相應(yīng)錯誤處理。此函數(shù)的聲明形式如下：

3.1.4 關(guān)閉串口

利用API函數(shù)關(guān)閉串口非常簡單，只需使用CreateFile函數(shù)返回的句柄作為參數(shù)調(diào)用CloseHandle即可：

3.2 通信程序的可靠性措施

只有通信協(xié)議是可靠的，才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｖ饕ㄟ^以下兩種措施確保通信傳輸?shù)臏?zhǔn)確無誤：

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸方式 用一幀來表示一個字符，其內(nèi)容為：一個起始位，僅接著是若干個數(shù)據(jù)位，最后一個停止位。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均將起始位和停止位作為開始和結(jié)束的標(biāo)志，這樣就可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。

圖4 一幀數(shù)據(jù)格式

3.2.2 檢錯校驗方式 在串口數(shù)據(jù)通信中，常用的檢錯校驗方法有兩種：

冗余校驗碼（CRC），基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的監(jiān)督碼（既CRC碼）r位，并附在信息后邊，構(gòu)成一個新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共(k+ r)位，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗，以確定傳送中是否出錯。是一種高效的差錯控制方法，實現(xiàn)相對復(fù)雜。

奇偶校驗，通常用在數(shù)據(jù)通信中來保證數(shù)據(jù)的有效性。根據(jù)被傳輸?shù)囊唤M二進(jìn)制代碼的數(shù)位中“1”的個數(shù)是奇數(shù)或偶數(shù)來進(jìn)行校驗。采用奇數(shù)的稱為奇校驗，反之，稱為偶校驗。采用何種校驗是事先規(guī)定好的。通常專門設(shè)置一個奇偶校驗位，用它使這組代碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。若用奇校驗，則當(dāng)接收端收到這組代碼時，校驗“1”的個數(shù)是否為奇數(shù)，從而確定傳輸代碼的正確性。校驗處理過程簡單，應(yīng)用廣泛，一般異步傳輸模式選用偶校驗。

通信程序采用異步傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，格式如下：

通過以上兩種措施的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸出錯的可能性就會極大的降低，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是可靠、準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

經(jīng)過電路軟、硬件調(diào)試和部件組裝，RS485總線調(diào)試設(shè)備實現(xiàn)了單片機與PC機之間的數(shù)據(jù)通訊，完成了對井下儀器數(shù)據(jù)的采集分析，適應(yīng)了生產(chǎn)調(diào)試的需求，實踐證明有較強的實用價值。

[1]李華.MCS－51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2001

[2]李朝青.PC機與單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2003

[3]冉林倉.Windows API編程[M].北京：清華大學(xué)出版社.2005

[4]朱友芹.新編WIN32 API 參考大全[M].北京：現(xiàn)代出版社.2000

[5]大慶測井公司.PCM9801-R1數(shù)傳協(xié)議.2006（資料）

In the paper ,the principle and implementation of the RS485 bus debugging system is introduced, discussed the three bus interface and the realization method of communication software, has completed to the well logging instrument active status demonstration.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.1.019

盧亞普，黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)銀浪測井公司研究所。