【正文】 組成部分，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的核心先導(dǎo)技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制理論、自動(dòng)化技術(shù)緊密結(jié)合并應(yīng)用于實(shí)際的結(jié)果，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。串行通信作為一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的通信方式在控制工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其中 RS485 總線型控制系統(tǒng)得到了推廣和發(fā)展。 研究的背景及意義單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展使得單片機(jī)的應(yīng)用也從獨(dú)立的單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，由計(jì)算機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。單片機(jī)由于其具有體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉、開發(fā)應(yīng)用方便、設(shè)計(jì)靈活和性能價(jià)格比高的特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理等都有廣泛地應(yīng)用，已滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。因此，采用單片機(jī)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的辦法 ，對(duì)單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，在設(shè)計(jì)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型，網(wǎng)絡(luò)接口電路采用端口轉(zhuǎn)發(fā)的形式，實(shí)現(xiàn)了 8 位單片機(jī)多機(jī)通信，且 PC 機(jī)能彌補(bǔ)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力弱和軟硬件資源貧乏的缺陷。2在工業(yè)領(lǐng)域，主從式的設(shè)備監(jiān)控管理模式應(yīng)用越來越廣泛。在一對(duì)多的通信模式中，由于下位機(jī)與上位機(jī)、下位機(jī)與下位機(jī)之間的物理位置相距較遠(yuǎn)，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、干擾大，由于 RS232 采用共模傳輸方式，只能實(shí)現(xiàn)十余米的短距離通信，且抗干擾能力不理想，因此使用 RS232 串口通訊協(xié)議完全不能達(dá)到要求，易出現(xiàn)錯(cuò)碼。但 RS485 總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高 RS485 總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要 [1]。為了方便讀者快速地了解本論文的主要內(nèi)容，在這里簡(jiǎn)要介紹一下論文的章節(jié)安排及內(nèi)容。主要介紹本論文研究的背景、意義。主要介紹通信的一些基本概念以及方式，也對(duì)各種串行接口標(biāo)準(zhǔn)、MAX232 和 MAX485 兩種轉(zhuǎn)換芯片作了一些講解。主要介紹了一下通信的大致過程以及各個(gè)結(jié)構(gòu)部分，并畫出了原理框圖。首先介紹了通信原理，以及如何能實(shí)現(xiàn)它，并制定了通信協(xié)議，以及實(shí)行的差錯(cuò)控制。 第五章系統(tǒng)可靠性分析。 第六章總結(jié)。通信是指計(jì)算機(jī)與外界的信息交換，它既包括計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間，也包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的信息交換，所有這些信息交換都可稱為數(shù)據(jù)通信。通常根據(jù)信息傳送的距離決定采用哪種通信方式。串行數(shù)據(jù)通信指數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送的通信方式，外設(shè)和計(jì)算機(jī)間使用一根數(shù)據(jù)信號(hào)線，和按字節(jié)傳輸?shù)牟⑿型ㄐ畔啾龋型ㄐ攀褂玫膫鬏斁€少，適用于長(zhǎng)距離傳輸而速度要求不高的場(chǎng)合。 串行通信的傳送方式 在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在二個(gè)站(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))之間進(jìn)行傳送，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成三種傳送模式:全雙工、半雙工、單工。（1）全雙工(Full Duplex)數(shù)據(jù)線發(fā)送/接收端 接收/發(fā)送端地線全雙工制式4圖 21 全雙工通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由兩根可以在兩個(gè)不同的站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收的傳輸線進(jìn)行傳送，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送和接收操作。 （2）半雙工(Half Duplex)使用同一根傳輸線，通信雙方既可發(fā)送數(shù)據(jù)又可接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，如圖 22 所示。數(shù)據(jù)線發(fā)送/接收端 接收/發(fā)送端地線半雙工制式圖 22 半雙工通信（3）單工(Simplex)甲乙雙方通信時(shí)只能單向傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送方和接收方固定。數(shù)據(jù)線發(fā)送端 接收端地線單工制式 圖 23 單工通信 異步收發(fā)器(1) UART（異步收發(fā)器）的組成　　UART 由三個(gè)部分組成：接收器、發(fā)送器、控制器。發(fā)送器——將并行碼轉(zhuǎn)換為一定數(shù)據(jù)格式的串行碼。（2）異步串行通信中設(shè)立的出錯(cuò)標(biāo)志。 通信波特率的設(shè)置波特率，即數(shù)據(jù)傳送速率，表示每秒鐘傳送二進(jìn)制代碼的位數(shù)，它的單位是位/秒(b/s)。異步通信的傳送速度在 50~19200b/s 之間。80C51 單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘絕大多數(shù)情況下都采用 6MHz 的石英晶體振蕩器，其串行口的波特率是由其內(nèi)部定時(shí)器 TH1（8 位）決定的，具體計(jì)算公式為 [3]：初 值 ）（波 特 率和 方 式方 式 1TH256384f1SMODosc??? 異步串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) RS232C 串行接口標(biāo)準(zhǔn) RS232C 接口標(biāo)準(zhǔn)是在 1969 年由美國電氣工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，所以 RS232C 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中使用最早的一種串行接口標(biāo)準(zhǔn)。RS232C 接口標(biāo)準(zhǔn)最初是為了遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE 和數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE 進(jìn)行通行而設(shè)計(jì)的。實(shí)際應(yīng)用中，這些“握手線”的連接不是必須的。6圖 24 為 DB9 型連接器的引腳圖，下面簡(jiǎn)要介紹一下 9 個(gè)引腳的功能。當(dāng)本地 DCE 設(shè)備收到對(duì)方的 DCE 設(shè)備送來的載波信號(hào)時(shí)，該引腳有效，用于通知 DTE 準(zhǔn)備接收，此時(shí) DCE 將接收到的載波信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)后，經(jīng) RXD 線傳送至 DTE。DTE 通過該引腳接收 DCE 發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)通過該引腳從 DTE 發(fā)送至 DCE。該引腳有效時(shí)，表明數(shù)據(jù)終端處于可用狀態(tài)，通常將其直接接至電源端，上電有效。該引腳為所有的電路提供參考電位。該引腳有效時(shí)，表明 MODEM 處于可用狀態(tài)，通常將其直接接至電源端，上電有效。用來表示 DTE 請(qǐng)求 DCE 發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該信號(hào)有效，向 MODEM 提出發(fā)送請(qǐng)求，此時(shí) MODEM 進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。用來表示 DCE 已準(zhǔn)備好接收 DTE 發(fā)來的數(shù)據(jù)，是對(duì)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào) RTS 的相應(yīng)信號(hào)。 (9) RI 振鈴提示(Ring Indicator)。162738495DB9GNDRIDTRCTSTXDRTSRXDDSRDCD圖 24 DB9 引腳圖 與 TTL, MOS 邏輯電平完全不同，RS232C 其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的。用 RS232C總線連接系統(tǒng)時(shí)，有近程通信方式和遠(yuǎn)程通信方式之分。 由于 RS232C 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的較早難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)： (1) 接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕c TTL 電平不兼容，使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與 TTL 電路連接。 (3) 接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易形成共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 RS422 串行接口標(biāo)準(zhǔn)RS422 是在 RS232C 以后發(fā)展起來的、平衡傳送的電氣標(biāo)準(zhǔn)，比起 RS232C 非平衡的傳送方式在電氣指標(biāo)上有了大幅度的提高。典型的 RS422 是四線接口(實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共 5 根線)。即一個(gè)主設(shè)備(Master)其余為從設(shè)備(Salve)，從設(shè)備之間不能通信，所以 RS422 支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。 RS422 的最大傳輸距離為 1200 米，最大傳輸速率為 10Mb/s。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。 RS422 需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗，終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端；一般在 300 米以下不需終接電阻 [1]。該規(guī)范滿足所有 RS422 要求，而且比 RS422 穩(wěn)定性更強(qiáng)。 (2) 電氣特性:對(duì)于發(fā)送端，邏輯 1 以兩線間的電壓差為+(2～6) V 表示。對(duì)+接收端，A 比 B 高 200mV 以上即認(rèn)為是邏輯 l, A比 B 低 200mV 以上即是邏輯 0。 (3) 共模輸出電壓在7V～+12V 之間，而 RS422 在7V～+7V 之間。但 RS422 驅(qū)動(dòng)器并不完全適用于 RS485 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)波特率為 1200bps 時(shí)，最大傳輸距離理論上可達(dá) 15千米。RS485 需要 2 個(gè)終接電阻，接在傳輸總線的兩端，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗，為 120Ω。 (5) 采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。RS485 總線掛接多臺(tái)設(shè)備用于組網(wǎng)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)及多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信(多點(diǎn)到多點(diǎn)是指總線上所接的所有設(shè)備及上位機(jī)任意兩臺(tái)之間均能通信)。在不通信時(shí)，所有的設(shè)備處于接收狀態(tài)，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串口才翻轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，以避免沖突。目前，在我國應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，RS485 半雙工異步通信總線也是被各個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線。9 RS232, RS422, RS485 通訊方式的區(qū)別RS232, RS422, RS485 通訊方式的最主要的區(qū)別是 RS422 和 RS485 都采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分輸入的方式，有效的消除了共模干擾，并且 RS485 有更寬的共模輸入范圍(7v～+12v)；能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信；傳輸距離遠(yuǎn)；傳輸速率快。表 21 RS232, RS422, RS185 的區(qū)別標(biāo)準(zhǔn) RS232 RS422 RS485工作方式 單端 差分 差分節(jié)點(diǎn)數(shù) 1 收 1 發(fā) 1 發(fā) 10 收 1 發(fā) 32 收最大傳輸電纜長(zhǎng)度 50 英尺 4000 英尺 4000 英尺最大傳輸速率 20kbps 10Mbps 10Mbps最大驅(qū)動(dòng)輸出電壓 +/25V ～+6V 7V～+12V發(fā)送器輸出信號(hào)電平（負(fù)載最小值） 負(fù)載 +/5V～+/15V 177。發(fā)送器輸出信號(hào)電平（空載最大值） 空載 +/25V 177。6V發(fā)送器負(fù)載阻抗（Ω） 3k～7k 100 54擺率（最大值） 30V/181。15V 10V～+10V 7V～+12V接收器輸入門限 177。200mV 177。因此，為了能夠使計(jì)算機(jī)接口和終端的 TTL 器件連接，必須在 RS232C 與 TTL 電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系變換。10MAX232 芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V 電源電壓變換成為 RS232C 輸出電平所需的士 l0V 電壓。MAX232 芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖 25 所示：C1+1 VDD 2C13C2+4C25VEE 6T2OUT 7R2IN 8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12 R1IN 13T1OUT 14GND15VCC 16MAX232 圖 25 MAX232 引腳功能圖實(shí)際應(yīng)用中，T1IN, T2IN 可直接接 TTL/CMOS 電平的 MCS51 單片機(jī)的串行發(fā)送端TxD； RIOUT, R2OUT 可直接接 TTL/CMOS 電平的 MCS51 單片機(jī)的串行接收端 RxD； TIOUT, T2OUT 可直接接 PC 機(jī)的 RS232 串口的接收端 RxD； R1IN, R2IN 可直接 PC 機(jī)的RS232 串口的發(fā)送端 TxD[1]。所以在進(jìn)行 RS485 通訊芯片設(shè)計(jì)之前，有必要選擇一款成功在市場(chǎng)上應(yīng)用的相關(guān)芯片進(jìn)行分析研究，以確保設(shè)計(jì)的成功性。該芯片具有低功耗，單電源供電等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于低功耗 RS485 收發(fā)器、低功耗 RS422 收發(fā)器、RS232485電平轉(zhuǎn)換器和工業(yè)控制局域網(wǎng)等 [4]。它完成將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS485 電平的功能，將輸入的 TTL 電平轉(zhuǎn)換成差分電平輸出。RO 和 DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的 RXD 和 TXD 相連即可；RE 和 DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng) RE 為邏輯 0 時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE 為邏輯 1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng) A 引腳的電平高于發(fā)送/RE DE DI A B H H H L H L L H L Z Z接收AB /RE DE RO≥+ L L H≤ L L L H L Z12B 時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當(dāng) A 的電平低于 B 端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0。只需要一個(gè)信號(hào)控制 MAX485 的接收和發(fā)送即可 [2]。 本系統(tǒng)通信過程如下：上位 PC 機(jī)作為主機(jī)經(jīng)過一定的程序后，先向下位機(jī)發(fā)出地址信號(hào)，各個(gè)下位機(jī)收到信息后，開中斷去執(zhí)行程序，與上位機(jī)發(fā)過來的地址相比較。通過此過程來達(dá)到上位機(jī)與下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸，并將接收到的數(shù)據(jù)用顯示器進(jìn)行顯示。其實(shí)質(zhì)是先用 MAX232 轉(zhuǎn)換芯片將 RS232 電平轉(zhuǎn)換為TTL 電平，再用 MAX485 芯片將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS485 電平，然后采用 RS485 總線進(jìn)行長(zhǎng)距離、高速的串行異步通信。其系統(tǒng)的原理框圖如圖 31 所示：13S2485TXDRXDRXDTXDR110KAB BBAA ROROREREDEDEDIDIRXDRXDTXDTXDPiPiPC機(jī)MAX485MAX48580518051R210KR310KR410K+5V圖 31 多機(jī)通信原理框圖在總線末端接一個(gè)匹配電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，使得正常傳輸信號(hào)無毛刺。在總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號(hào)的影響。當(dāng)總線上沒有信號(hào)傳輸時(shí)，門端 A+的電平大約為 ，負(fù)端 B的電平大約為 。從結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)可以分為：上位 PC 機(jī)部分、RS232 接口電路部分、RS232/485 轉(zhuǎn)換電路、RS485 通信網(wǎng)絡(luò)部分、RS485 接口電路部分和下位單片機(jī)部分。（2