張果，鄧成中

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

前言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷地發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)也得到了很大的提升。當(dāng)需要的通訊距離在幾十米到千米左右時，在工業(yè)控制上廣泛采用RS485現(xiàn)場總線來進(jìn)行通訊，RS485總線的通訊線只需要兩根雙絞線就能夠?qū)崿F(xiàn)多個站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，形成主從分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。RS485總線串行通信方式以其簡潔靈活、設(shè)備簡單、性價比高，且能夠進(jìn)行長距離的通信，使其在工業(yè)控制系統(tǒng)如鍍鋅溫度控制系統(tǒng)、抄表系統(tǒng)中，特別是中小型數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。為加深對RS485總線串行通信的理解，本文提出基于Proteus的RS485總線串行通信的設(shè)計與仿真，并以數(shù)碼管顯示為例，給出了其軟硬件的設(shè)計，并使用Proteus對其進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗證該總線通訊方式的正確性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在現(xiàn)代工業(yè)自動控制技術(shù)、智能儀器儀表等技術(shù)領(lǐng)域中，使用PC機(jī)來作為工業(yè)自動控制的管理上位機(jī)已經(jīng)越來越廣泛，且符合控制技術(shù)的發(fā)展要求。由于PC機(jī)的串行接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，若下位機(jī)設(shè)置有RS232C接口，兩者可直接連接，但RS232C通信距離很短，僅為十幾米，而且在工業(yè)控制中，顯然無法完成較長距離的通信。因此選用RS485的串行接口標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)PC機(jī)的遠(yuǎn)距離通信，進(jìn)而對所屬的下位機(jī)進(jìn)行管理，控制其完成相應(yīng)的工作任務(wù)。圖 1為該系統(tǒng)的總線通訊示意圖，下位機(jī)系統(tǒng)中有多個從機(jī)，RS232轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換器與從機(jī)系統(tǒng)中RS485接口芯片通過平衡雙絞線制的通信電纜線進(jìn)行連接，每一個從機(jī)都有該接口芯片電路。上位機(jī)PC使用串口DB9與RS232轉(zhuǎn)RS485的轉(zhuǎn)換器即可，電腦端使用適合的上位機(jī)軟件編寫控制界面，也就是工業(yè)控制中所提到的人機(jī)交互界面用于來控制下位機(jī)系統(tǒng)和將下位機(jī)的數(shù)據(jù)信息實時反饋給用戶。

該圖中上、下位機(jī)系統(tǒng)通訊方式為典型的主從分布式，也稱為輪叫輪詢方式，即主機(jī)按順序依次發(fā)送問詢數(shù)據(jù)幀或控制數(shù)據(jù)幀，在規(guī)定的時間內(nèi)對應(yīng)下位機(jī)相應(yīng)主機(jī)（上位機(jī)），發(fā)送回答幀或數(shù)據(jù)幀，其他下位機(jī)不響應(yīng)主機(jī)，所有下位機(jī)掃描完畢后，重復(fù)以上過程。RS485總線網(wǎng)絡(luò)就是基于這種方式，作網(wǎng)絡(luò)連接時，標(biāo)準(zhǔn)接口可連接32個從設(shè)備，增強(qiáng)型接口轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可連接64個、128個、256個等，其總線網(wǎng)絡(luò)組成框圖如圖2 所示。

圖2 RS485總線網(wǎng)絡(luò)組成框圖

表1 DB9端口引腳定義

2 硬件電路設(shè)計

2.1 RS485電平轉(zhuǎn)換電路

對于RS485標(biāo)準(zhǔn)串行接口來說，其電氣標(biāo)準(zhǔn)采用的是正邏輯，邏輯“1”代表+200mV～+6V，邏輯“0”代表-200mV～-6V，邏輯不變時代表-200mV～+200mV，RS485的接口特點(diǎn)在于采用雙端平衡輸出驅(qū)動，雙端差分接收。而PC機(jī)主板外設(shè)串口為DB9端口，其引腳定義如表1所示。

該接口采用的RS232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，其電氣標(biāo)準(zhǔn)采用的是負(fù)邏輯，邏輯“1”代表-3V～-15V，邏輯“0”代表+3V～+15V，邏輯不變時代表-3V～+3V，由此可知，RS485電平和RS232的電平是不同的，故兩者連接使用時，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。對RS232串口電平轉(zhuǎn)TTL電平，選用MAX232芯片即可完成此功能的轉(zhuǎn)換，對RS485電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，選用 MAX487芯片來完成，在實際應(yīng)用中，設(shè)計的 RS232轉(zhuǎn)RS485電路原理圖如圖3所示。

圖3 RS232轉(zhuǎn)RS485電路

圖4 Proteus中RS232轉(zhuǎn)RS485電路

在圖3中，DB9為PC端的串口，其與電腦主板CPU的串口通訊模塊連接，MAX487的 A、B信號線與從機(jī)中的RS485接口連接，MAX487芯片的DE、RE為發(fā)送和接收的控制端。以PC機(jī)的RS232作為參考端，當(dāng)作為接收端時，數(shù)據(jù)從RS485端向左通過轉(zhuǎn)換電路的同路流向RS232端，此時，接收端不會發(fā)送數(shù)據(jù)出去給RS485端，處于等待狀態(tài)，DB9的3腳TXD輸出邏輯1，經(jīng)過MAX232內(nèi)部的反相器調(diào)整后輸出TTL高電平，接著再經(jīng)過三極管Q1進(jìn)行反相，輸出低電平，當(dāng)RE、DE都為低電平時，MAX487芯片處于接收狀態(tài)，接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；當(dāng)作為發(fā)送端時，數(shù)據(jù)從RS232端向右通過轉(zhuǎn)換電路的通路流向RS485端，在其輸出負(fù)邏輯低電平，TX管腳為低，經(jīng)過芯片內(nèi)部的反向器調(diào)整對應(yīng)輸出TTL低電平，再經(jīng)過三極管Q1的反向，輸出高電平，在RE、DE都為高電平時，MAX487芯片處于發(fā)送狀態(tài)，將上位機(jī)的控制命令幀發(fā)送給等待接收的下位機(jī)的RS485接口。在進(jìn)行Proteus仿真軟件中，其元器件庫中串口DB9的名稱為COMPIM，該模塊內(nèi)部帶有RS232電平轉(zhuǎn)換功能，可直接與主機(jī)的相連，無需外部再添加MAX232電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在軟件仿真中和實際應(yīng)用中的電路在設(shè)計上會存在細(xì)微差別，但通訊流程是不變的，故在Proteus軟件仿真中可對RS232轉(zhuǎn)RS485電路設(shè)計如圖4所示。

2.2 從機(jī)中RS485接口電路設(shè)計

在下位機(jī)系統(tǒng)中，與上位機(jī)進(jìn)行RS485總線通訊時，必須設(shè)計自身的 RS485接口電路才能夠與上位機(jī)的 RS232轉(zhuǎn)RS485電路接口進(jìn)行匹配才行，否則無法進(jìn)行通訊。本文在Proteus中設(shè)計的從機(jī)的RS485接口芯片也是MAX487，其接口電路如圖5所示。

圖5 Proteus中從機(jī)RS485接口電路

在圖5中，芯片的6、7腳與上位機(jī)的MAX487芯片的6、7腳一一對應(yīng)連接，兩連線之間的電阻為其阻抗匹配，芯片RO、RE、DE、DI引腳輸出的TTL電平，故可直接與下位機(jī)MCU的IO口直接相連，在實際應(yīng)用中，可在其與MCU的 IO之間加入光耦進(jìn)行電氣隔離，對輸入、輸出電信號其隔離作用，使設(shè)計的電路具有良好的抗干擾能力、抑制共模干擾等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 從機(jī)主要功能

本文數(shù)碼管顯示為例來說明RS485總線通訊的整個工作流程，數(shù)碼管顯示應(yīng)在從機(jī)系統(tǒng)中，用來反映上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，即顯示上位機(jī)來控制該從設(shè)備的數(shù)碼管顯示的數(shù)字，如果顯示不是上位機(jī)想要顯示的數(shù)據(jù)或者無顯示，則說明本次基于RS485總線網(wǎng)絡(luò)的通訊是不成功的，基于此，本文在Proteus中設(shè)計的從機(jī)數(shù)碼管顯示電路如圖6所示。

圖6 從機(jī)數(shù)碼顯示電路

在圖6中，采用了一位數(shù)碼管進(jìn)行顯示，單片機(jī)選用的是 AT89C51,圖中有按鍵復(fù)位電路、晶振電路，單片機(jī)的 P1口用來設(shè)置此從機(jī)的地址，即通過檢測P1.0～P1.7這8個I/O口的高低電平來確定本從機(jī)地址，并且是唯一的，必須與其他從機(jī)地址不同，這是非常重要的，假如有相同的從機(jī)地址出現(xiàn)，那么上位機(jī)就不知道該與誰進(jìn)行通信，繼而造成通信錯誤，致使本次通訊不成功。MAX487的通信端直接由單片機(jī)進(jìn)行控制，其依據(jù)的是制定的RS485的通訊協(xié)議。

2.4 主機(jī)功能電路設(shè)計

前面提到的主機(jī)即為上位機(jī) PC端，其除了物理串口RS232 DB9外，對下位機(jī)的控制操作區(qū)需用上位機(jī)軟件來實現(xiàn)，本文在設(shè)計上位機(jī)的同時，也在Proteus中設(shè)計了主機(jī)電路，與上位機(jī)相呼應(yīng)，給以更加直觀的了解主從機(jī)之間是如何進(jìn)行的控制通訊的，設(shè)計的主機(jī)功能電路如圖 7所示。

圖7 主機(jī)功能電路

在圖7中，通過2個按鍵ST0、ST1電路來設(shè)置從機(jī)地址，4X4按鍵用來選擇數(shù)碼管需要顯示的段碼，P0口連接的數(shù)碼管從機(jī)顯示的數(shù)字進(jìn)行反饋。

3 軟件設(shè)計

3.1 RS485通訊協(xié)議的制定

根據(jù)RS485通信芯片的接口特點(diǎn)可知，其傳輸方式是異步串行、半雙工的方式，即同一時刻主機(jī)與從機(jī)之間只能是一個發(fā)送數(shù)據(jù)，另外一個接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在通信過程中以報文的形式，一幀一幀地發(fā)送，主從機(jī)之間形成點(diǎn)對點(diǎn)通信。每個報文的幀長根據(jù)自己定義的數(shù)據(jù)格式而定，其字符類型可為ASCII碼或16進(jìn)制數(shù)，工業(yè)上對RS485總線的通信協(xié)議幀的制定，分為主機(jī)命令幀和從機(jī)響應(yīng)幀兩部分，如下表 1和表2。

表1 主機(jī)命令幀

表2 從機(jī)響應(yīng)幀

針對本文設(shè)計RS485總線通信的數(shù)碼管顯示，可對上面的幀格式進(jìn)行簡化，制定如下：采用十六進(jìn)制字符，幀頭為“AAH”，緊跟后面的是地址幀，如“00H”則代表1號從機(jī)，“01H”代表2號從機(jī)，依次類推，地址幀后面緊跟著是數(shù)據(jù)幀，即從機(jī)中數(shù)碼管需要顯示的信息內(nèi)容，接著就是幀尾，設(shè)計幀尾的字符為“0DH”。故本設(shè)計的數(shù)據(jù)幀為“AAH”+地址幀+數(shù)據(jù)幀+“0DH”；從機(jī)的響應(yīng)幀也為此幀，對接收到幀里每個字節(jié)進(jìn)行解析，符合匹配則進(jìn)行下一個字節(jié)的解析，直到接收到幀尾，解析后作出應(yīng)答，則本次總線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸結(jié)束。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)為PC，用戶只能通過相應(yīng)的軟件來對下位機(jī)進(jìn)行控制，本文選用VB上位機(jī)軟件來制作上位機(jī)通訊界面，繼而完成對下位機(jī)的總線網(wǎng)絡(luò)通訊。設(shè)計的上位機(jī)界面如下圖 8所示。

圖8 上位機(jī)界面

在圖8中，通過相應(yīng)的控件來設(shè)置數(shù)據(jù)的收發(fā)，該軟件中里的通訊控件為MSCommon控件，在Proteus仿真中該控件的串口為虛擬串口，借助虛擬串口軟件，在Proteus里設(shè)置相應(yīng)的配對虛擬串口來完成通訊，其控件的OnComm事件程序如下：

3.3 主從機(jī)控制流程

在Proteus中設(shè)計了主機(jī)和從機(jī)部分，其中的主機(jī)主要用來反映上位機(jī)控制思路。主機(jī)中采用查詢方式，從機(jī)采用中斷方式編程，本文設(shè)計的主機(jī)主程序流程圖和從機(jī)主程序流程圖分別如圖9所示和如10所示。

圖9 主機(jī)主程序流程圖

圖10 從機(jī)主程序流程圖

4 Proteus仿真

整個系統(tǒng)的原理圖、VB上位機(jī)運(yùn)行效果以及Proteus仿真效果如圖11所示。從圖11中可知上位機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)幀，其命令為AA+03+36+0D，經(jīng)過虛擬串口，再經(jīng)過RS232轉(zhuǎn)RS485電路到從機(jī)，從機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，同時圖中的主機(jī)也對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時反饋，在Proteus中良好地完成了基于RS485總線網(wǎng)絡(luò)的通訊。

圖11 Proteus仿真效果

5 結(jié)論

本系統(tǒng)通過結(jié)合RS485總線網(wǎng)絡(luò)通信、

下位機(jī)數(shù)碼管顯示系統(tǒng)，較好地闡述了RS485總線的使用，并借助Proteus仿真軟件來完成基于RS485總線網(wǎng)絡(luò)主從機(jī)之間通訊流程，良好地切合現(xiàn)代工業(yè)控制上使用的RS485網(wǎng)絡(luò)總線通訊模式。同時本文的設(shè)計對大學(xué)本科相關(guān)專業(yè)教學(xué)了解工業(yè)控制上總線通訊的知識，具有良好地參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓路平,駱丹妮.RS485工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī),2017,30(11):32-33.

[2] 方勝利,梅建偉,羅敏.基于 RS485通信的分布式雙閉環(huán)低溫回火爐溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2017,31(03):55-58+67.

[3] 高曉光,劉庚.基于 RS-485總線控制的采煤機(jī)用語音報警器設(shè)計[J].煤礦機(jī)電訊,2017(5):24-26,29.

[4] 郭文會.基于單片機(jī)與RS485通信芯片的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2016(09):244-246.

[5] 魏列江,董萬玉,李娜娜,李旭方,孟犁. RS-485總線在大型液壓泵站多PC分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].液壓與氣動,2014(02):71-74.

[6] 楊芳.基于主從分布式串行多機(jī)通信的電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報,2013,29(03):234-237.

[7] 甕嘉民,任鵬飛.基于Proteus的RS-485總線系統(tǒng)仿真設(shè)計[J].河南科學(xué),2012,30(02):227-230.

[8] 何青,胡漢春,代剛,張邦力.基于RS-485總線的PC機(jī)與單片機(jī)串行通訊仿真系統(tǒng)的設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011,24(01):147-148.

[9] 張修太,馬金元,翟亞芳,秦長海.基于 RS485的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息,2010,26(29):102-104.

[10] 甕嘉民,周成虎. 基于RS-485總線和Proteus仿真的溫控系統(tǒng)設(shè)計[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,22(04):27-29.