PC机与多台单片机实时通信系统的设计与实现

1 引言

集散控制系统(DCS)又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型技术。在现代化工业过程控制系统中，集散控制系统已成为过程自动化系统发展的主流。然而，在工业控制领域，控制系统除了要求具有极高的可靠性外，还必须具有较强的实时响应能力和友好的人机交互界面。

本系统主要通过PC机与多台单片机构成小型集散控制系统来进行通信，既充分利用PC机丰富的软硬件资源实现友好的人机界面，又通过RS-232C/485总线结构与8251单片机进行通信，对多台单片机进行数据采集和处理。

2 控制系统硬件电路设计

本系统在电路形式上比较简单，其原理框图如图1所示。

2.1 通信控制器电路分析与设计

通信控制器的主要作用是完成主机和从机之间的通信。控制器的核心是一台AT89S51单片机，它仅具有一个可编程的全双工串行通信接口，而作为通信控制器需要同时与主机(PC机)和从机进行串行通信，因此就利用单片机的并行数据接口实现串口的扩展，这里选择了8251作为单片机的串口扩展芯片。8251是用于串行数据通信的USART(通信同步/异步收发器)，它可以从单片机接收并行数据转换为串行数据发送出去，也可以从外部接收串行数据转换为并行数据传送至单片机。并且8251仅占用2个外部数据空间地址单元，对它的读、写访问如同访问外部RAM一样方便， 、 信号均由单片机提供，需要设计的只有片选信号。此外，8251提供的RXRDY和TXRDY引脚可以用来触发单片机的外部中断，通知单片机8251可以进行新数据的发送或已经接收到新的数据。根据 8251的特性设计的单片机串口扩展电路如图2所示。

图2 基于8251的单片机串口扩展电路

从图2可以看出，8251的指令/数据选择引脚接到了单片机的地址线A0，这样可以通过2个不同的地址来区分对8251的命令写、数据写或状态读、数据读。进一步分析可以发现8251的片选引脚 与单片机地址线A15通过反相器后的相连，使得8251在外部数据空间8000H～FFFFH之间32KB的范围内可以随意选择地址，这里选择8000H(访问数据)和8001H(访问指令 /状态)两个地址。8251的RXRDY引脚通过一个非门后连接至单片机的 引脚，当8251从主机接收到数据时就会引起单片机中断。

MC14060用于为8251提供时钟信号，其中包括用于产生8251内部的时钟CLK、用于决定发送数据传输速率的时钟 和用于决定接收数据传输速率的时钟 。CLK连接到MC14060的OUT2输出引脚， 和 同时连接到MC14060的Q5输出引脚。MC14060的时钟输入频率为2.4576MHz，则OUT2引脚输出的频率为2.4576MHz，Q5引脚输出的频率为2.4576MHz/25=76.8kHz。那么8251发送数据的时钟 和接收数据的时钟 均为76.8kHz，通过单片机编程将8251的数据传输速率因子设置为1/16，则8251的串口发送和接收数据的波特率为76800/16=4800bit/s。

控制器与主机的通信是通过8251来实现的，8251带有一个全双工的串口，但它的串行数据接口并不是RS-232C标准串口，必须通过外接RS-232 收发器芯片才能与主机的串口连接起来通信，这里选择的RS-232收发器芯片是MAXIM公司的MAX232C。MAX232C包含两个发送器和两个接收器，这里只需使用其中任意一组发送器和接收器即可。

由于控制器与从机之间的通信是多点的串行通信，所以选择了MAXIM公司的MAX485芯片来实现控制器与从机之间的多机通信系统。因为信号在传输线上传送时，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象从而影响信号的远距离传输，所以必须采用匹配的办法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般在 110～130Ω之间，它与线的绝缘材料的厚度及导线的直径有关，所以通常在RS-485总线末端接入120Ω的电阻是为了对通信线路进行阻抗匹配。

由于MAX485为半双工通信方式，不能同时发送和接收数据，只能通过控制和DE引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。这里将MAX485的和DE引脚连在一起接到单片机的P10口，通过单片机的P10口来控制MAX485发送数据和接收数据的转换，当P10为低电平时MAX485处于接收数据状态，而当P10为高电平时MAX485则处于发送数据状态。MAX485的RO引脚接到单片机的串口接收引脚RXD， MAX485的DI引脚接到单片机的串口发送引脚TXD。

在通信速率要求不是很高的情况下，RS-485总线的通信距离可以达到1200m，这样就可以通过多台单片机来构建一个远程多机通信系统。

2.2 从机部分硬件电路分析与设计

在本系统中，从机主要完成信号采集与显示输出。这里采用A/D转换芯片ADC0804完成模拟信号的采集。基于ADC0804所设计的A/D采集电路采用阻容元件来搭建ADC0804的时钟电路。