高旭東，徐澤清，韓喜春

（黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

RS－485網(wǎng)絡(luò)由于實(shí)現(xiàn)簡單、造價(jià)低廉、可靠性高、支持的廠家多，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、教育、環(huán)境、國防和科研等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體廠商不論是CPU芯片還是接口芯片都對(duì)RS－485提供了強(qiáng)有力支持，Cypress公司生產(chǎn)的PSOC系列芯片中用固件元件UART可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)串行接口。PSOC（Programmable System on Chip）作為一款新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，在原8051核和ARM Cortex－M3核的基礎(chǔ)上，在芯片的PLD實(shí)現(xiàn)可配置的固件元件提供給用戶，使設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目需求靈活地選擇可配置外設(shè)與微處理器自動(dòng)連接。利用PSOC提供的模擬和數(shù)字資源，設(shè)計(jì)者也可以定制需要的特殊元件。PSOC集成開發(fā)環(huán)境帶有100個(gè)左右的嵌入式設(shè)計(jì)中常有的外圍器件，能夠滿足大多數(shù)項(xiàng)目需求。特別是它提供的高精度模擬和模擬數(shù)字混合外設(shè)元件，是該器件的主要特色。采用PSOC實(shí)現(xiàn)的RS－485測控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)具有多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，圖中只畫出1個(gè)。由PSOC實(shí)現(xiàn)的RS－485網(wǎng)絡(luò)與其它微處理器的顯著區(qū)別是可以放置多個(gè)UART串行接口、UART功能可以根據(jù)需要增減、提供節(jié)點(diǎn)地址識(shí)別功能和強(qiáng)大的API（應(yīng)用程序接口）函數(shù)支持。

圖1 RS－485測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 PSOC設(shè)計(jì)的RS－485測控網(wǎng)絡(luò)的固件原理圖和工作原理

以PSOC為主控元件設(shè)計(jì)的RS－485網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)固件原理圖分別如圖2和圖3所示。從圖2看出，主控節(jié)點(diǎn)中只包含3個(gè)芯片：PSOC、ADM2483和ADM3251E。ADM2483是ADI公司生產(chǎn)的磁隔離RS－485接口芯片，用它實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)也使用該芯片實(shí)現(xiàn)與其它節(jié)點(diǎn)的電氣隔離（圖3沒有畫出來）。ADM3251E是ADI公司生產(chǎn)的磁隔離RS－232接口芯片，用它實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的電氣隔離。與光電隔離相比，ADI公司的磁隔離器件也是RS－485和RS－232收發(fā)器，接口簡單、隔離電壓高、功耗低、速度快和連接節(jié)點(diǎn)多。

PSOC原理圖設(shè)計(jì)非常方便，在工作空間瀏覽器中打開TopDesign.cysch文件，在元件庫中選擇元件放置到畫布，然后進(jìn)行元件參數(shù)配置，需要連線的與其它器件連線，有些器件不需要連線。畫完原理圖后，打開文件＊.cydwr進(jìn)行引腳鎖定（分配引腳）。在圖2中，UART＿1用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，通過UART＿1接收到上位機(jī)的命令和數(shù)據(jù)后，PSOC的CPU將其轉(zhuǎn)換成從節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)格式，再通過UART＿RX傳送給從節(jié)點(diǎn)。UART＿RX接收到從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后經(jīng)UART＿1傳到上位機(jī)。因?yàn)樯衔粰C(jī)沒有9位地址識(shí)別的通信方式，所以UART＿1采用8位通信方式，UART＿RX采用9位通信方式與從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。主節(jié)點(diǎn)功能就是協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將上位機(jī)命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成從節(jié)點(diǎn)能識(shí)別的格式。液晶顯示屏LCD用于顯示上位機(jī)和從節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息。電容式觸摸鍵盤CapSense用于輸入控制命令和配置參數(shù)，對(duì)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置。emFile是一個(gè)嵌入式文件系統(tǒng)固件元件，用于連接SD卡存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。

在圖3的從節(jié)點(diǎn)原理圖中，磁隔離RS－485收發(fā)器（圖中沒畫出來）與PSOC中的UART＿TX相連，用于和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。圖中含有的固件元件功能和作用分別是IDAC8＿1和VDAC8＿1，為8位電流輸出和電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最多可以使用4個(gè)這種器件。AMux＿1模擬多路開關(guān)，可以放多個(gè)，每個(gè)最多32通道，受芯片引腳數(shù)量限制，本設(shè)計(jì)采用差動(dòng)8通道。模擬開關(guān)的輸出作為可編程增益放大器PGA＿1和PGA＿2組成的差動(dòng)放大器的輸入，PGA＿1和PGA＿2的輸出作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的差動(dòng)輸入。狀態(tài)寄存器Status＿Reg＿1用于開關(guān)量輸入，控制寄存器Control＿Reg＿1用于開關(guān)量輸出，可以放置多個(gè)開關(guān)量器件，受PSOC引腳數(shù)量限制。計(jì)數(shù)器Counter＿1用于脈沖量輸入，PWM＿1用于脈沖量輸出，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM＿1用于節(jié)點(diǎn)的配置參數(shù)存儲(chǔ)。

2 PSOC設(shè)計(jì)的RS－485測控網(wǎng)絡(luò)的固件元件的參數(shù)配置

PSOC的固件元件大多數(shù)是可配置元件，元件隨配置參數(shù)不同而具有不同的功能。元件的配置參數(shù)可以在設(shè)計(jì)時(shí)配置，也可以在程序運(yùn)行時(shí)通過系統(tǒng)提供的API函數(shù)動(dòng)態(tài)修改。本設(shè)計(jì)中用到的元件較多，下面選擇幾個(gè)元件介紹其參數(shù)和配置方法。

2.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器IDAC的屬性配置

圖4 IDAC的屬性配置

IDAC的屬性配置如圖4所示。電流源的極性設(shè)置為正，電流范圍為0～2mA，初始值可任意，速度為低速，數(shù)據(jù)源為CPU，選通模式為寄存器寫。VDAC的設(shè)置與此類似。

2.2 可編程增益放大器PGA的配置

PGA的屬性配置如圖5所示。增益1～50，選擇8，功耗選擇高，參考電源選擇內(nèi)部地。

圖5 PGA的屬性配置

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的配置

如圖6所示，ADC可以4個(gè)配置切換運(yùn)行，本設(shè)計(jì)只選擇1個(gè)配置。采樣模式為連續(xù)采樣，分辨率為20位，轉(zhuǎn)換速率100Hz，輸入模式為差分，輸入范圍1.024V，緩沖放大器增益為1，參考電壓為內(nèi)部1.024V。

圖6 ADC的屬性配置

2.4 通用異步串行通信UART配置

UART的屬性配置如圖7和圖8所示。在圖2中的UART＿1配置為全雙工模式，波特率為115 200，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1位停止位，高級(jí)配置中選擇RX字節(jié)接收中斷，其余按缺省設(shè)置；UART＿RX配置為全雙工模式，波特率為115 200，9位數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)類型為Mark／Space，1位停止位，高級(jí)配置中選擇RX字節(jié)接收中斷，地址模式選擇軟件字節(jié)到字節(jié)Software Byte by Byte、Address＃1和Address＃2為本機(jī)地址，設(shè)置16進(jìn)制地址值，用于將接收的地址與此地址進(jìn)行比較，相符就接收隨后的字節(jié)數(shù)據(jù)，其余按缺省配置。圖3中UART＿TX的配置與UART＿RX除地址外其余相同。

3 PSOC設(shè)計(jì)的RS－485測控網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)、主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)采用VB2008作為開發(fā)平臺(tái)，通過串行通信控件實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)的通信。本文主要介紹如圖9、圖10和圖11所示的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)方法。

PSOC的突出特點(diǎn)就是軟件設(shè)計(jì)工作量低，根本不需要知道所使用的元件是怎樣實(shí)現(xiàn)的，只需要知道所使用的元件的功能、性能和一些使用該元件的配置參數(shù)即可通過系統(tǒng)提供的API（應(yīng)用程序接口）函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)元件運(yùn)行的控制。一般的程序只需要編寫兩類函數(shù)：中斷函數(shù)和main函數(shù)。設(shè)計(jì)好固件原理圖后，在Creator圖形化集成開發(fā)環(huán)境就可以通過編譯在工作空間瀏覽器中生成各個(gè)元件的C語言文件和頭文件。如果元件可以產(chǎn)生中斷，在該元件的C語言源程序文件中就會(huì)產(chǎn)生中斷程序框架，只要在這個(gè)中斷子程序框架內(nèi)的放置代碼提示信息位置輸入你的中斷程序代碼即可[6]。

圖9 RS－485主節(jié)點(diǎn)程序流程

在圖9主節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖中，在main函數(shù)中根據(jù)主程序任務(wù)流程圖編寫出整個(gè)項(xiàng)目的控制源代碼，在代碼中調(diào)用了許多系統(tǒng)生成的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的控制。中斷和一些元件需要運(yùn)行與元件相關(guān)的API函數(shù)啟動(dòng)，例如UART＿RX的啟動(dòng)函數(shù)為UART＿RX＿Start（），在啟動(dòng)函數(shù)中調(diào)用該元件的初始化函數(shù)。主節(jié)點(diǎn)除了顯示信息和配置從節(jié)點(diǎn)，主要功能是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，將上位機(jī)的8位數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為從節(jié)點(diǎn)通信使用的9位數(shù)據(jù)格式。主節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，要通過 API函數(shù) UART＿RX＿SetTxAddressMode（UART＿RX＿SET＿M(jìn)ARK）設(shè)置 UART發(fā)送的數(shù)據(jù)是地址，UART能自動(dòng)控制發(fā)送的數(shù)據(jù)串只有第一個(gè)字節(jié)具有地址標(biāo)志UART＿RX＿SET＿M(jìn)ARK，其余字節(jié)標(biāo)志為UART＿RX＿SET＿SPACE，即數(shù)據(jù)字節(jié)。設(shè)置完地址標(biāo)志后，要發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)設(shè)置從節(jié)點(diǎn)地址。接收數(shù)據(jù)相對(duì)復(fù)雜些，在接收中斷子程序中實(shí)現(xiàn)，如圖11所示。在數(shù)據(jù)接收子程序中讀取狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)，通過狀態(tài)位UART＿RX＿RX＿STS＿M(jìn)RKSPC判斷讀取到數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)是地址還是數(shù)據(jù)，如果是地址，判斷是否是本機(jī)地址，是本機(jī)地址就將本機(jī)地址標(biāo)志位置1，如果不是本機(jī)地址，本機(jī)地址標(biāo)志位置0，退出中斷子程序。如果是數(shù)據(jù)字節(jié)，本機(jī)地址標(biāo)志是1，判斷是否是包結(jié)束符，是包結(jié)束符，就送包結(jié)束符到接收數(shù)據(jù)包數(shù)組，并將數(shù)據(jù)包標(biāo)志置1，如果不是包結(jié)束符，就將數(shù)據(jù)字節(jié)追加到接收數(shù)據(jù)包數(shù)組，退出中斷子程序。如果本機(jī)地址標(biāo)志是0，退出中斷子程序。從節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖和接收中斷子程序流程圖如圖10和圖11所示。

圖10 RS－485從節(jié)點(diǎn)程序流程

4 結(jié)束語

通過PSOC的UART元件在本設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用可以看出，在圖形化集成開發(fā)環(huán)境Creator的強(qiáng)大功能支持下，采用PSOC一個(gè)核心器件就可以實(shí)現(xiàn)RS－485多功能測控模塊的設(shè)計(jì)，該模塊具有模擬量輸入和輸出、開關(guān)量輸入和輸出、脈沖量輸入和輸出功能。利用PSOC開發(fā)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)模塊具有集成度高、造價(jià)低、開發(fā)周期短和可靠性高等特點(diǎn)。PSOC是嵌入式設(shè)計(jì)中很有發(fā)展前途的混合信號(hào)處理器，值得在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育和國防科技等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

圖11 主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)接收中斷子程序流程

[1]Cypress Semiconductor.PSoC Development kit Guide[EB／OL].http：／／china.cypress.com／ID＝38240＠113.Feb，2011.

[2]Cypress Semiconductor.Universal Asynchronous Receiver Transmitter[EB／OL].http：／／www.cypress.com／docID＝32438.Dec，2011.

[3]何賓.可編程片上系統(tǒng)PSoC設(shè)計(jì)指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4]曹祁，王曉萍，郭振武.Modbus協(xié)議在數(shù)據(jù)采集儀中的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程，2004，1（6）：49－50.

[5]穆巖，陳波.基于RS485總線和 ModBus RTU通訊協(xié)議的漿紗機(jī)速度監(jiān)測系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（5）：29－30.

[6]韓喜春，高旭東，張春燕.基于PSOC的通用計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25（3）：48－52.

[7]曾媛，于曉明，張開生.嵌入式冷庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19（3）：565－567.