摘 要：隨著工業(yè)4.0時代到來，智能工廠已成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要方向。在智能工廠中，環(huán)境監(jiān)測是保障生產(chǎn)安全、提高能效和保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。針對無線通信在智能工廠環(huán)境監(jiān)測應用中存在的信號干擾、傳輸延遲以及安全性不足等缺陷，本文提出了一種采用有線通信方式的解決方案。方案設(shè)計硬件電路，采用Proteus仿真與Keil軟件編程相結(jié)合的方式，驗證了單片機與計算機之間串行通信技術(shù)在智能工廠環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應用的可行性。

關(guān)鍵詞：單片機；串行通信；Proteus仿真；Keil

中圖分類號：TN 92" " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

智能工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要實時、準確地收集溫度、濕度和氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)來預防事故、優(yōu)化生產(chǎn)流程。在環(huán)境數(shù)據(jù)與電腦的通信過程中，雖然無線通信能夠提供便捷的組網(wǎng)方式，但是在工業(yè)現(xiàn)場，電磁干擾、多徑效應等問題可能導致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，甚至丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因此，研究有線通信技術(shù)在智能工廠環(huán)境監(jiān)測中的應用具有重要意義。在智能工廠中，單片機作為下位機，其數(shù)據(jù)處理能力高，編程接口靈活，能夠與采集環(huán)境數(shù)據(jù)的各類傳感器連接，實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)。將計算機作為上位機進行數(shù)據(jù)管理，采用串行通信方式與單片機建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，完成數(shù)據(jù)的有線通信傳輸。本文利用Proteus仿真平臺驗證了單片機與計算機串行通信的可行性與有效性，為提升智能工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了技術(shù)支持。

1 串行通信原理

串行通信和并行通信是設(shè)備之間信息交換和傳輸?shù)穆窂椒绞?。并行通信?shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條傳輸線同時傳送，其特點是傳輸速度快，效率高，控制簡單，但是不適用于長距離傳輸。串行通信將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位逐個在一條傳輸線上進行傳送，其特點是傳輸線少，成本低，但是控制比較復雜。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合智能工廠對傳輸距離和成本的要求，本文使用串行通信[1]。

1.1 串行通信傳輸方式

在串行通信中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收有3種傳輸方式，分別為單工、半雙工和全雙工，如圖1所示。單工方式（Simplex）表示發(fā)送器利用1條傳輸線與接收器進行連接，數(shù)據(jù)單向傳輸。半雙工方式（Half-duplex）雙向傳輸數(shù)據(jù)，只有1條傳輸線，不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)。全雙工方式（Full-duplex）需要2條傳輸線，向2個不同方向進行數(shù)據(jù)傳送，可以同時進行數(shù)據(jù)輸入和輸出[2]。

1.2 串行異步通信格式

按照串行數(shù)據(jù)時鐘控制方式，串行通信可以分為同步通信和異步通信。同步通信建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。異步通信是通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時鐘，兩者時鐘盡可能一致[3]。本文采用異步通信方式進行上位機與下位機通信。

發(fā)送器發(fā)送的字符數(shù)據(jù)只能由“0”或者“1”這2種邏輯組成。數(shù)據(jù)的第一部分為起始位，當空閑狀態(tài)為“1”時，發(fā)送器發(fā)送“0”，表示一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸開始，即由高電平跳變到低電平。第二部分為數(shù)據(jù)位，依次從第0位到第7位。第三部分為奇偶校驗位，如果采用奇校驗，那么字符數(shù)據(jù)位中邏輯“1”的數(shù)目為奇數(shù)，校驗位為“0”，字符數(shù)據(jù)位中邏輯“1”的數(shù)目為偶數(shù)，校驗位為“1”；如果采用偶檢驗，那么相反。第四部分為停止位，表示一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，如果不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，那么傳輸線維持邏輯“1”的狀態(tài)。從開始位到停止位的時間稱為一幀，也稱幀格式，如圖2所示。

1.3 串行口相關(guān)寄存器設(shè)置

1.3.1 數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF）

數(shù)據(jù)緩沖器（Serial Data Buffer，SBUF）是片機內(nèi)部特殊功能寄存器，包括發(fā)送（輸出）和接收2個寄存器。發(fā)送SBUF由TXD（P3.1）引腳接出，只能寫入，不能讀出，寫操作格式為SBUF=str[j]。接收SBUF由RXD（P3.0）引腳接出，只能讀出外設(shè)傳輸至寄存器的數(shù)據(jù)，不能寫入，讀操作格式為buf=SBUF。

1.3.2 電源控制寄存器（PCON）

電源控制寄存器（Power Control Register，PCON）的作用是管理單片機的電源，包括進入掉電模式、進入空閑模式以及進行上電復位檢測。當單片機復位時，PCON的8位清零，其位符號定義見表1。串口設(shè)置只涉及SMOD位，當SMOD=1時，串行通信方式一、方式二和方式三的波特率加倍，當SMOD=0時，波特率不加倍。

1.3.3 串行口控制寄存器（SCON）

串行口控制寄存器（Serial Control Register，SCON）定義串行口工作方式和收發(fā)使能控制，其位符號定義見表2。

REN為接收允許使能端，由軟件置位或清零，當其值為1時允許接收，當其值為0時禁止接收。TI為發(fā)送中斷標志位，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后由硬件置位，可以采用軟件查詢方式獲得置位信息，也可以采用中斷方式發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，但是必須由軟件清零。RI為接收中斷標志位，一幀數(shù)據(jù)接收完成后由硬件置位，可以采用查詢或中斷方式獲得置位信息，但是也必須由軟件清零。SM0、SM1為工作方式選擇位，串行口工作方式見表3。

方式0為8位同步移位寄存器輸入/輸出方式，不用于通信，只用來擴展I/O口，波特率固定為fosc/12。

方式一為波特率可調(diào)的10位異步通信，能夠用于單片機與單片機或單片機與計算機之間進行通信，本文采用該方式進行單片機與計算機之間的串行異步通信。當串口工作在發(fā)送狀態(tài)時，數(shù)據(jù)由TXD端輸出，接入MAX487的DI輸入端，一幀數(shù)據(jù)由10位組成，包括1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，先發(fā)送D0位，再發(fā)送D7位，當單片機執(zhí)行寫操作時，啟動發(fā)送；當串口工作在接收狀態(tài)時，REN=1，允許接收，RXD接入MAX487的RO輸出端，單片機采樣RXD引腳數(shù)據(jù)，執(zhí)行讀操作，當包括停止位的一幀數(shù)據(jù)接收完成后，RI=1由硬件置位，等待下一幀數(shù)據(jù)。

1.4 RS485總線標準

智能工廠使用單片機作為下位機對外部環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)RS485總線標準與計算機（上位機）之間進行半雙工異步通信，設(shè)通信距離為1 200 m，最大傳輸速率為10 Mbit/s。利用差動信號進行傳輸，當邏輯為“1”時，A端與B端差分電壓為+2 V～+6 V；當邏輯為“0”時，A端與B端差分電壓為-6 V～-2 V。485總線電平與單片機的TTL電平不兼容，如果要進行總線通信，那么需要電平轉(zhuǎn)換芯片，本文采用MAX487芯片實現(xiàn)該功能。MAX487芯片是一款低功耗收發(fā)器，內(nèi)部有接收器和發(fā)送器。由于采用半雙工通信，在同一個時刻只能接收或發(fā)送，因此將RE和DE接單片機的一個引腳作為使能端，當引腳電平為0時，MAX487為接收器；當引腳電平為1時，MAX487為發(fā)送器。RO為MAX487芯片作為接收器的輸出端，與單片機的RXD相連，此時單片機讀取PC發(fā)送的信息。DI為MAX487芯片作為發(fā)送器的輸入端，與單片機的TXD相連，此時單片機寫入信息至PC機。單片機與MAX487芯片連接如圖3所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計一個以單片機為核心，集成多種環(huán)境檢測傳感器的智能工廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測并傳輸關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)至計算機，進行進一步分析與管理。系統(tǒng)框架包括STC89C52RC單片機控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及RS485通信模塊。在仿真過程中，傳感器使用矩陣鍵盤按鍵的鍵值代替檢測，模擬智能工廠環(huán)境檢測與上位機進行RS485通信。智能工廠環(huán)境檢測系統(tǒng)框如圖4所示。

2.2 程序編寫

2.2.1 波特率設(shè)置

在串行通信中，波特率為收發(fā)雙方傳送數(shù)據(jù)的速度，即串行端口每秒傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。在串行口4種工作方式中，方式0和方式二波特率固定，方式一和方式三的波特率是可變的，將定時器T1作為波特率的發(fā)生器，其值由SMOD和T1的溢出速率決定，計算過程如公式（1）所示。

（1）

本文設(shè)T1的溢出速率為（fosc/12）/（256-X），晶振為11.059 2 MHz，SMOD為0，波特率為9 600 B。T1的初值X為253，轉(zhuǎn)換為十六進制即0xFD，T1的初值為0xFD。

2.2.2 串行口初始化程序

當進行串行操作時，須對單片機的串行口進行一些必要的初始化設(shè)置。具體操作步驟如下。1）確定定時器的工作方式，設(shè)置TMOD寄存器，TMOD為0x20，T1的工作方式為方式二。TL1為計算值，TH1為自動重裝值，當定時器溢出時，TH1的值會自動裝載至TL1，再重新計數(shù)。2）計算T1的初值，裝載TH1和TL1，得到TH1=0xFD，TL1=0xFD。3）啟動定時器T1，設(shè)置TCON的TR1位，此時，TR1=1為啟動定時器。4）確定串行口，設(shè)置SCON寄存器，REN=1，允許接收，SM0=0，SM1=1，串行口的工作方式為方式一。5）采用查詢或中斷方式查看串行口工作過程，如果使用中斷方式，那么需要設(shè)置IE或IP寄存器。

串行口初始化函數(shù)為uart_int（ ），具體設(shè)置如下。

void uart_int（ ）

{

TMOD=0x20;

TH1=0xFD;

TL1=0xFD;

TR1=1;

REN=1;

SM0=0;

SM1=1;

EA=1;

ES=1;

}

2.2.3 發(fā)送和接收程序

通常采用查詢和中斷方式設(shè)計串行口發(fā)送和接收工作過程程序。本文采用查詢方式查詢SCON的TI位是否為1。在串行口中斷程序中進行數(shù)據(jù)接收，接收完成后，軟件將RI清零。接收和發(fā)送程序如下[4]。

void UART_SendString（unsigned char * j）

{

unsigned char j=0;

while（str[j] ！= '＼0'）

{

UART_SendByte（str[j]）;

j++;

}

}

void UART_Routine（void） interrupt 4

{

if（RI==1）

{

RI=0;

buf=SBUF;

LED=0;

P20=1;

P21=0;

}

}

3 系統(tǒng)驗證

3.1 仿真電路搭建

智能工廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的Proteus軟件仿真包括STC89C52RC

單片機、矩陣鍵盤、COMPIM組件以及MAX487芯片。使用虛擬終端查看發(fā)送的數(shù)據(jù)，智能工廠環(huán)境檢測仿真如圖5所示。

3.2 建立串口通信

利用VSPD軟件建立com1和com2虛擬串口對，com1為Proteus仿真軟件中COMPIM模塊的串口，com2為串口調(diào)試助手的串口號，將單片機和計算機進行串行通信。按照本文的程序設(shè)計要求以及串行通信的格式要求，設(shè)置COMPIM模塊和串口調(diào)試助手的參數(shù)：波特率為9 600 B，無奇偶校驗位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位[5]。

3.3 仿真結(jié)果分析

開啟仿真，LED小燈熄滅，在串口調(diào)試助手的發(fā)送區(qū)發(fā)送“系統(tǒng)開始檢測”，LED小燈點亮，說明計算機向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)成功，同時虛擬終端顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)。當按下矩陣鍵盤時，在串口調(diào)試助手的接收區(qū)顯示鍵值代表傳感器檢測數(shù)據(jù)，說明單片機向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)成功。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)可以在計算機和單片機之間進行RS485串行通信。

4 結(jié)語

本文利用Proteus軟件進行仿真，完成上位機與下位機的RS485通信。上位機開啟系統(tǒng)檢測，下位機利用傳感器檢測環(huán)境并上傳至上位機，顯示在上位機的接收緩沖區(qū)。雙機之間完成串行異步通信，驗證了單片機與計算機之間的RS485通信的可行性。

參考文獻

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