朱思榮，周萬里，畢春元，趙曉華，高廣恒，劉仲匯

(山東省科學(xué)院生物研究所，山東省生物傳感器重點實驗室，山東 濟南 250014)

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，串口通訊是最常用的多機通訊手段，特別是較長距離的信號傳輸，使用485總線的數(shù)據(jù)變送器較4～20mA摸擬信號傳輸抗干擾能力更好，精度更高，調(diào)試也更方便。但常用的單片機、DSP或PLC控制器串口通訊能力卻先天不足，通常只有一個串口，多的也只有2個，常需要對串口進行擴展才能滿足系統(tǒng)需求。在一款帶有生物傳感器檢測系統(tǒng)的發(fā)酵過程控制器的設(shè)計中，系統(tǒng)的2個空氣流量變送器、生物傳感器檢測系統(tǒng)、上位PC機通訊均使用485總線，彩色LCD顯示器的觸摸屏輸出也是串行信號。由于上位PC機通訊需要獨占一個串口，觸摸屏的突發(fā)通訊也不能與其它設(shè)備共用串口，生物傳感檢測系統(tǒng)和空氣流量計具有完全不同的通訊協(xié)議，所以系統(tǒng)需要進行串口擴展才能滿足設(shè)計需求。

對于串口擴展，常用的方法有硬件擴展和軟件模擬。硬件擴展又分并口擴展和子串口擴展，如intel 8251用并口擴展1個全雙工串口，TL16C554用并口同時擴展4個全雙工串口，并口擴展需占用較多的端口資源和外部中斷;子串口擴展法則用1個高速串口擴展出多個低速子串口，如SP2338擴展3個子串口，SP2538和GM8125擴展5個子串口，子串口擴展電路簡單，也需要占用I/O端口資源控制串口切換，并在使用中有一定的條件限制。軟件模擬法通常采用定時器模擬，用查詢或中斷方式接收發(fā)送數(shù)據(jù)，采用中斷方式接收數(shù)據(jù)起始位也要占用外部中斷［1－5］。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，使用Silicon Labs公司的C8051F120高速8位單片機［6］作為主控制器，單片機本身具有2個串口，再采用PCA模塊軟件模擬擴展法擴展1個串口，用單串口多路485總線擴展方法擴展3路485總線，成功解決了系統(tǒng)串口資源不足的問題。

1 設(shè)計原理

軟件模擬串口是根據(jù)串口接收和發(fā)送原理，通過定時控制在通用I/O口按位順序讀取或發(fā)送數(shù)據(jù)。通常用子程序接收或發(fā)送數(shù)據(jù)［7］，也可通過中斷實現(xiàn)，但需要占用一個外中斷和定時中斷［8］，本項目中，利用C8051F120單片機的PCA模塊既可捕獲脈沖，又可作定時器使用的特點，只用PCA的1個模塊完成1個半雙工串口的模擬接收和發(fā)送。把PCA模塊設(shè)置為下降沿捕獲模式等待接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到起始位的下降沿信號，進入PCA模塊中斷，把PCA模塊改為定時器模式，并把定時時間設(shè)定到下一數(shù)據(jù)位的中間位置，以后每次到定時時間，讀取1位數(shù)據(jù)，并預(yù)置下次定時時間，直到接收完一個字節(jié)。如要繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，再把PCA模塊設(shè)置為下降沿捕獲模式。發(fā)送數(shù)據(jù)在PCA模塊定時模式下進行，啟動發(fā)送時發(fā)送低電平起始位，預(yù)置PCA模塊定時時間，以后每次進入PCA模塊中斷發(fā)送1位數(shù)據(jù)，都預(yù)置下次定時時間，直到發(fā)送完停止位。

對于采用不同協(xié)議的下位機的數(shù)據(jù)通訊，如用1個串口進行順序通訊可用硬件進行通道切換［9］來實現(xiàn)，本項目中因為下位機均為485總線，而MAX485［10］芯片的輸入和輸出可以單獨使用，采用直接控制方式可實現(xiàn)多個通道切換，當(dāng)前未通訊的下位機通過I/O端口禁止MAX485的輸入和輸出，使數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收只針對指定的下位機。

2 設(shè)計方案

與PC機通訊以PC機作為上位機，本機作為下位機，使用1個獨立串口。與空氣流量變送器和生物傳感器檢測系統(tǒng)的通訊，使用1個獨立串口，本機作為上位機控制數(shù)據(jù)讀寫，空氣流量變送器和生物傳感器檢測系統(tǒng)作為下位機，構(gòu)成多機通訊系統(tǒng)。485總線本身是多機通訊總線，但在本系統(tǒng)中因為空氣流量變送器采用MODBUS工作協(xié)議，與生物傳感器檢測系統(tǒng)不一致，并且在與流量計的通訊中，主機應(yīng)答等待時間長達0.2 s以上，如采用單總線循環(huán)輪詢通訊，通訊的速度就比較慢。所以本設(shè)計為每個設(shè)備采用獨立的485接口，并在與流量計通訊等待應(yīng)答的時間內(nèi)插入與生物傳感器檢測系統(tǒng)的通訊，提高系統(tǒng)的通訊效率。系統(tǒng)與LCD觸摸屏的通訊采用PCA模塊0模擬，PCA模塊0的CEX0作為串口輸入，任選一I/O口作為串口輸出，本系統(tǒng)中因為觸摸屏不需要輸入信號，實際模擬串口只使用了接收功能。圖1為本設(shè)計的硬件接口圖，其中下位機485接口輸出端用3個1 kΩ電阻分壓為485總線提供一個基礎(chǔ)電平，防止本機讀數(shù)據(jù)時下位機還未切換到輸出狀態(tài)，總線處于不確定狀態(tài)。

3 模擬串口程序設(shè)計

本系統(tǒng)用PCA模塊0模擬擴展1個半雙工串口，用于觸摸屏通訊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送均采用中斷方式，除接收或發(fā)送1個數(shù)據(jù)中斷次數(shù)較多外，其它與系統(tǒng)硬件串口完全一樣。對于C8051F120這樣的高速處理器，收發(fā)1個數(shù)據(jù)位的中斷處理只需幾個微秒的時間，不會影響到系統(tǒng)其它任務(wù)的執(zhí)行，為保證數(shù)據(jù)收發(fā)定時準確，PCA中斷必須設(shè)為高級中斷，系統(tǒng)中其他高級中斷的處理時間不能超過模擬串口位發(fā)送間隔的1/3。

圖1 發(fā)酵控制系統(tǒng)串行接口硬件電路Fig.1 Hardware circuit of serial interface of fermentation control system

把PCA模塊0設(shè)為下降沿捕獲模式，即把模擬串口切換到接收起始位模式，在該模式下PCA模塊捕獲起始位下降沿脈沖信號開始1個字節(jié)的接收，數(shù)據(jù)接收和接收初始化均在PCA中斷進行。模擬串口的發(fā)送初始化需要發(fā)送起始位信號并初始化發(fā)送數(shù)據(jù)，以“9600，N，8，1”模式串口通訊為例，發(fā)送初始化首先把PCA模塊0設(shè)為定時中斷模式，置發(fā)送端口為低電平發(fā)送起始位，設(shè)置捕獲寄存器值為當(dāng)前PCA計數(shù)器值+位接收延時(1/9600 s的PCA計數(shù)值)，然后初始化發(fā)送數(shù)據(jù)，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送寄存器，并初始化發(fā)送中斷計數(shù)10，以處理包括起始位和停止位共10位數(shù)據(jù)的發(fā)送。

串口數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送在PCA中斷程序中執(zhí)行，PCA中斷程序流程如圖2所示。

在捕獲起始位后，初始化延時為位接收延時的1.5倍，使串口數(shù)據(jù)的讀取時間位于該數(shù)據(jù)脈沖的中部位置，正好是數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的時候，用以消除串口波特率偏移帶來的數(shù)據(jù)讀出錯誤。圖2流程中“字節(jié)接收處理”和“字節(jié)發(fā)送處理”同正常硬件串口的中斷處理程序。

圖2 模擬串口PCA中斷處理程序流程Fig.2 Flow chart of PCA interruption process of analogue serial port

4 多子機485數(shù)據(jù)通訊的處理

本設(shè)計中，因為下位機485通訊接口是獨立的總線結(jié)構(gòu)，每個總線的輸入和輸出均可以禁止，所以系統(tǒng)具有最大的靈活性，與下位機通訊可以采用不同的通訊協(xié)議和不同的通訊速率。與生物傳感器檢測系統(tǒng)的通訊為高速通訊，每秒與主機通訊4次，每次至少讀出一次狀態(tài)和即時數(shù)據(jù)，如指令緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，在完成讀出狀態(tài)和即時數(shù)據(jù)后再發(fā)送一條指令。與空氣流量計的通訊為低速通訊，每秒讀一次流量數(shù)據(jù)。本設(shè)計中與下位機的通訊由定時中斷啟動，每秒啟動2次，第1次啟動與流量計1的通訊，第2次啟動與流量計2的通訊，在發(fā)送流量計通訊連絡(luò)信號后，立即啟動一次與生物傳感器檢測系統(tǒng)的通訊，在完成與生物傳感器系統(tǒng)通訊后切換回流量計通訊，讀出流量的應(yīng)答信息，讀出流量的應(yīng)答后再啟動一次與生物傳感器系統(tǒng)的通訊。定時中斷同時處理子機通訊的超時，保證在某一子機通訊故障的情況下不會影響與其他子機的通訊，圖3為定時中斷對串口處理流程圖，圖4為定時中斷中串口超時處理方法。

設(shè)備工作正常時，在串口發(fā)送或接收1個數(shù)據(jù)同時初始化系統(tǒng)的超時延時寄存器，所以不會產(chǎn)生串口通訊超時，定時中斷僅啟動與流量計1和2的通訊，與生物傳感器的通迅在串口中斷中啟動。圖5為串口1的通訊程序流程。如某個設(shè)備故障或未連接，則通訊在等待應(yīng)答過程就會超時，定時中斷的超時處理就終止該設(shè)備的通訊進程，啟動與下一設(shè)備的通訊或清除串口忙標志，使通訊循環(huán)正常進行。

圖5 串口1多下位機通訊工作流程Fig.5 Flow chart of serial port communications with multiple lower computers

5 結(jié)論

PCA是8051單片機的常用功能模塊，一般的增強型8051單片機都帶PCA功能，通常每個PCA有3個以上的捕捉/比較模塊，按本設(shè)計方法，每個模塊均可擴展1個半雙工的串口，并且利用PCA擴展的串口。因為采用中斷方式，通訊時占用的CPU時間很少，占用的I/O端口也少，每個串口只需2個I/O口，如串口不需要發(fā)送，則只占1個I/O口，基本不影響系統(tǒng)的其它功能的執(zhí)行，用2個PCA模塊還可以實現(xiàn)全雙工串口，是比較理想的多串口擴展方案。用本方案擴展串口占用系統(tǒng)資源少，較硬件擴展法可降低產(chǎn)品成本，并提高系統(tǒng)的可靠性，特別是對有小型化要求的產(chǎn)品，縮小了線路板的面積，可使產(chǎn)品設(shè)計得更加小巧。

對于485接口的下位機數(shù)據(jù)通訊，采用獨立總線的方法，雖然使用I/O端口較多，但可以把通訊協(xié)議完全不同的下位機連接在1個串口中，并根據(jù)實際需求合理調(diào)整不同子機的數(shù)據(jù)處理頻率，增加了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，特別適合于從485總線數(shù)據(jù)變送器中讀出檢測數(shù)據(jù)。如本項目的空氣流量計，當(dāng)1個串口接8只流量計時，采用單總線讀出方式，由于變送器應(yīng)答等待時間長，4 s才輪詢一次，但使用多總線結(jié)構(gòu)，可以通過定時發(fā)送指令的方式，先完成8個流量計的的數(shù)據(jù)讀出指令發(fā)送，再順序接收8個流量計的返回數(shù)據(jù)，這樣每秒至少可以輪詢2次，提高了串口通訊效率。

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