引言

隨著通信技術的普及和發(fā)展，人們對測控系統(tǒng)的總體性能要求越來越高，為了便于對分布式的各個現(xiàn)場測控設備實現(xiàn)集中控制，現(xiàn)場總線技術得到了廣泛的應用。RS485總線因其硬件設計和通信協(xié)議簡單、控制方便、成本低廉、傳輸距離遠以及可掛接多個從設備等優(yōu)點而成為目前國內(nèi)應用較多的現(xiàn)場總線之一。

目前大多數(shù)的分布式現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)通常都使用PC機（或工控機）作為主機對各個現(xiàn)場設備進行集中控制和數(shù)據(jù)傳輸。PC機只有標準的RS232接口，而RS232總線和RS485總線的接口電平不兼容，要實現(xiàn)PC機和RS485總線構成的通信網(wǎng)絡的連接就必須進行RS232和RS485之間的電平轉換。因此，進行RS232/RS485轉換器的設計就顯得很有必要。

采用單片機進行RS232/RS485轉換器的設計是比較常用的一種方法。傳統(tǒng)的基于單片機設計的RS232/RS485轉換器存在著以下不足之處：

（1）采用的單片機和外圍器件個數(shù)較多，給設計帶來不便，也不利于降低成本，減小體積；

（2）設置不靈活，不能改變波特率和通信方式，或者更改參數(shù)不方便，使通用性受限。

鑒于以上不足，本文采用宏晶科技公司生產(chǎn)的增強型51單片機STC11F02E為核心設計了一款RS232/RS485轉換器來彌補這些缺陷，降低了成本，減小了體積，同時能夠方便地進行波特率和通信方式的設置，增強了其通用性；而且單片機的可編程方式也方便了轉換器的功能擴展，靈活性大大增強。

轉換器的總體結構概述

轉換器主要由三部分組成，分別為：RS232電平轉TTL電平模塊、RS485電平轉TTL電平模塊和單片機主控制模塊。轉換器的總體結構框圖如圖1所示。



圖1 轉換器總體結構框圖

RS232電平轉TTL電平模塊用來實現(xiàn)RS232總線和單片機之間的連接，RS485電平轉TTL電平模塊用來實現(xiàn)RS485總線和單片機之間的連接，而單片機主控制模塊起到一個過渡連接的作用，用于協(xié)調(diào)和控制RS232總線和RS485總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。

下面詳細闡述這3個模塊的具體硬件電路設計。

轉換器的硬件電路設計

RS232電平轉TTL電平模塊的電路設計

這里采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX232電平轉換芯片設計RS232和單片機的電平轉換接口電路。

MAX232芯片只需用5V的單電源供電，外加4個電容，就可實現(xiàn)RS232電平和TTL電平之間的轉換，可直接驅動RS232總線進行數(shù)據(jù)傳輸，使用十分方便。采用該芯片可以很容易地實現(xiàn)單片機和RS232總線之間的連接，其最高傳輸速率可達120kbps。

該模塊的具體電路設計圖如圖2所示。


圖2 RS232電平轉TTL電平電路

RS485電平轉TTL電平模塊的電路設計

該模塊的電路采用Maxim公司生產(chǎn)的RS485接口芯片MAX483E進行設計。

MAX483E芯片是一款用于RS485和RS422通信的低功耗總線收發(fā)器，具有±15kV靜電放電沖擊保護和限擺率驅動特性，減小了電磁干擾和終端電纜反射，允許高達250kbps速率的無差錯數(shù)據(jù)傳輸。該芯片只需用5V的單電源電壓供電即可正常工作，而且在一條總線上最多可以連接32個負載。利用該芯片可以極大地簡化單片機和RS485總線的接口電路設計。

該模塊的具體電路設計圖如圖3所示。


圖3 RS485電平轉TTL電平電路

單片機主控制模塊的電路設計

該模塊是轉換器的核心模塊，轉換器的主要功能就是通過該模塊來實現(xiàn)的。整個電路設計也非常簡單，只需一片增強型的51單片機STC11F02E外加一些基本的外圍電路（包括外部晶體振蕩器電路和復位電路）即可完成設計。

STC11F02E單片機為增強型的8051內(nèi)核，具有2KB的片內(nèi)Flash程序存儲器、2KB的EEPROM存儲器和256KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器。這款單片機的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）模塊的最大特點就是通過配置特殊功能寄存器AUXR1中的第7位UART_P1的狀態(tài)可以使UART模塊的兩個引腳（RXD、TXD）接到P3端口的P3.0、P3.1引腳，或者接到P1端口的P1.6、P1.7引腳，從而可以充當兩個串口使用。這里主要利用該功能來設計RS232/RS485轉換器。

整個轉換器的總體硬件電路圖如圖4所示。


圖4 轉換器總體硬件電路圖

轉換器的工作原理

轉換器硬件電路的工作原理是先將PC機串口輸出的RS232總線信號電平通過電平轉換芯片MAX232轉換成STC11F02E可以接收的TTL電平信號，由該單片機接收PC發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。STC11F02E接收完傳來的全部數(shù)據(jù)后將串口引腳從P3.0和P3.1切換至P1.6和P1.7引腳，再把接收到的數(shù)據(jù)通過RS485收發(fā)器MAX483E發(fā)送到RS485總線上。從機應答后將相應的數(shù)據(jù)傳至RS485總線上，再通過RS485收發(fā)器轉成TTL電平后由單片機STC11F02E接收。STC11F02E接收完從機傳來的全部數(shù)據(jù)后將串口引腳重新切換至P3.0和P3.1引腳，再通過MAX232電平轉換芯片傳送到PC機的RS232串口上去，使PC機接收從機傳來的數(shù)據(jù)。整個數(shù)據(jù)傳輸過程就這樣反復地進行。

一般的RS485總線的多機通信方式是半雙工方式，也就是發(fā)送和接收不是同時進行的，某一個終端設備在某一時刻只能是發(fā)送狀態(tài)或者是接收狀態(tài)，所以采用這種方法來設計RS232/RS485轉換器是合理的。這里的關鍵問題是如何協(xié)調(diào)好P3.0、P3.1和P1.6、P1.7這兩組串口引腳之間的切換，這可以通過單片機的程序設計來實現(xiàn)。

轉換器的程序設計和通信協(xié)議設計

轉換器的程序設計流程

轉換器的整個程序的總體流程圖如圖5所示，主要包括程序初始化模塊、主程序模塊和串行口中斷服務模塊這三個部分。



圖5 轉換器程序流程圖

程序初始化模塊主要完成一些寄存器的初始化工作，包括看門狗設置、設定主機數(shù)據(jù)接收結束標志位MDE和從機數(shù)據(jù)接收結束標志位SDE、初始化串行口的連接引腳、初始化串行口設置寄存器和通信波特率、開啟串口中斷和總中斷。主程序模塊主要任務是完成串行口連接引腳之間的有序切換以及數(shù)據(jù)的發(fā)送。串行口中斷服務模塊的功能是完成數(shù)據(jù)的接收并置位標志位MDE和SDE。

由于每次通信結束之后單片機的UART模塊的引腳總是和主機相連的，所以每次通信都必須是由主機發(fā)起的，從機總是處于接收狀態(tài)，只有主機尋址到從機時，從機才可向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

RS485總線通信協(xié)議設計

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須?guī)定好RS485總線主從式通信的通信協(xié)議。

該轉換器采用的通信協(xié)議在傳送每個字節(jié)數(shù)據(jù)時共發(fā)送的數(shù)據(jù)位有10位和11位兩種，具體采用哪種通信方式可以人為進行設置。通信數(shù)據(jù)以信息幀的格式發(fā)送信息，每一信息幀由多個字節(jié)數(shù)據(jù)構成，包含地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和CRC校驗域這4個部分，如表1所示。其中地址域用于選擇要進行通信的從機地址；功能域用于指示要執(zhí)行的具體操作；數(shù)據(jù)域包含所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；CRC校驗域用于存放產(chǎn)生的CRC差錯校驗碼，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

通信協(xié)議中規(guī)定的通信波特率有2400 bps 、4800 bps 、9600 bps 、19200 bps、38400bps和115200bps六種波特率，默認波特率為9600bps，可以根據(jù)實際需要通過軟件設定。通信方式和波特率對應的設置參數(shù)存于單片機自帶的EEPROM存儲器中。

通信協(xié)議中定義的功能碼及其功能如表2所示。將來如果需要擴展功能的話，還可以通過在應用程序中增加相應的功能碼來增加系統(tǒng)對應的功能，使得系統(tǒng)功能擴展更加靈活。

表1 信息幀標準結構


表2 功能


轉換器的試驗結果

為了方便轉換器的調(diào)試，這里采用10位的通信方式，即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。其中上位機為PC機，通信接口為RS232接口；下位機是以C8051F020單片機為核心設計的水泵綜合參數(shù)測試平臺的主控電路板，通信接口為RS485接口。調(diào)試軟件使用串口調(diào)試助手。上位機和下位機的連接就是采用上面已經(jīng)設計好的RS232/RS485轉換器。這里設置從機地址為01H，采用前面設置的功能碼進行調(diào)試。具體的調(diào)試結果如圖6所示。

圖6中第1行豎線左邊的數(shù)據(jù)是PC機發(fā)送03H功能碼讀取從機外部數(shù)據(jù)存儲器2345H地址單元開始的16個單元中的數(shù)據(jù)時從機返回的數(shù)據(jù)。主機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀（16進制數(shù)）為：

01 03 23 45 10 db 12

圖6中第1行豎線左邊部分第1字節(jié)代表從機地址，第2字節(jié)代表從機返回的功能碼，第3字節(jié)為從機發(fā)給主機的數(shù)據(jù)個數(shù)，后面的16個字節(jié)為所讀取的單元的數(shù)據(jù)，最后2個字節(jié)為CRC16校驗碼。重復發(fā)送相同功能碼時可以看到返回的數(shù)據(jù)是一樣的，說明通信正常。

圖6中第2行豎線右邊的數(shù)據(jù)是PC機發(fā)送10H功能碼對從機外部數(shù)據(jù)存儲器2345H地址單元開始的16個單元寫入數(shù)據(jù)時從機返回的數(shù)據(jù)。主機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀（16進制數(shù)）為：

01 10 23 45 10 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff a7 21

圖6中第2行豎線右邊部分第1字節(jié)代表從機地址，第2字節(jié)代表從機返回的功能碼，第3和第4字節(jié)分別為外部數(shù)據(jù)存儲器地址的高字節(jié)和低字節(jié)，第5字節(jié)代表寫入的數(shù)據(jù)個數(shù)，最后2個字節(jié)為CRC16校驗碼。重復發(fā)送相同功能碼時可以看到返回的數(shù)據(jù)是一樣的，說明此時通信也正常。在發(fā)送10H功能碼之后再發(fā)送03H功能碼進行檢查，可以看出從機返回的外部數(shù)據(jù)存儲器2345H地址單元開始的16個單元中的數(shù)據(jù)和剛才寫入的數(shù)據(jù)是相同的，由此可知對應功能碼的操作正確，而且通信也正常。



圖6 采用串口調(diào)試助手對設計的轉換器進行調(diào)試的結果

從上面的試驗可以看出該轉換器可以實現(xiàn)PC機和RS485總線的正常通信，說明所設計的轉換器符合預期的要求。

結論

本文利用單片機STC11F02E的串口引腳可以在P3.0、P3.1引腳和P1.6、P1.7引腳之間隨意切換的特性，設計了一個簡單實用的RS232/RS485轉換器。該轉換器結構非常簡單，只用到了三片常用集成芯片外加少量外圍器件便可完成總體設計，極大地減小了體積和成本，而且轉換器的電源還可以通過PC機的USB接口提供的5V電源來供電，可以省去另外配置電源的麻煩。

該轉換器已成功應用在所設計的水泵綜合參數(shù)測試平臺上，實際試驗結果表明該轉換器運行穩(wěn)定可靠，可應用于由PC機作為主機的RS485總線的主從式半雙工通信系統(tǒng)當中。