晏密英　吳舒辭

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，各專業(yè)公司推出了許多種總線型的工業(yè)控制卡，其中，大多數(shù)都是ISA及PCI并行接口的。雖然，這些I/O控制卡的速度快，實(shí)時(shí)性也高，但在很多控制系統(tǒng)中不太適用。原因有三個(gè)方面，其一是這些卡的操作復(fù)雜，靈活性不太好，使用卡的人必須編制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序去控制卡的運(yùn)行，而且在Windows界面下的編程也很復(fù)雜；其二，各種I/O控制卡的價(jià)格昂貴；其三，大多數(shù)PC提供多種插槽，但那些超薄型計(jì)算機(jī)，如便攜式電腦和嵌入式電腦并沒(méi)有控制卡的空間和擴(kuò)展槽的位置，故不能用這些電腦實(shí)現(xiàn)I/O卡控制。本文介紹一種含RS-232接口的I/O板卡，將計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行二次開發(fā)，用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，代替控制卡的作用，并提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

本I/O卡主要用于需要采用計(jì)算機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制的場(chǎng)合，主要功能如下：提供11路12位的A/D轉(zhuǎn)換、4路12位的D/A轉(zhuǎn)換、16路帶光電隔離的開關(guān)量輸出、16路帶光電隔離的開關(guān)量輸入及1路16位計(jì)數(shù)器輸入；提供一個(gè)帶光電隔離的RS-232接口，上位機(jī)（通常指PC）能通過(guò)此端口對(duì)本卡上所有的資源進(jìn)行控制與讀入；另擴(kuò)展一片8255，其PA、PB口作為輸入端用，PC口作為本控制卡的一些設(shè)置，如用它作為波特率等的設(shè)置；本卡還可由DS12C887完成日期、時(shí)間、星期的設(shè)置、調(diào)整和輸出。本文主要就系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)（包括地址譯碼）及軟件設(shè)計(jì)（通訊協(xié)議為主）來(lái)對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行描述。

硬件電路設(shè)計(jì)

本控制卡原理框圖如圖1所示。其中，微控制器采用美國(guó)ATMEL公司的AT89C51，它內(nèi)部有4K的程序存貯器，可以為本板卡節(jié)省空間，同時(shí)擴(kuò)展一片數(shù)據(jù)存貯器62256芯片（32K）及X25045（512×8bits）看門狗電路構(gòu)成基本的單片機(jī)系統(tǒng)?？紤]到在一般的工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于對(duì)A/D、D/A轉(zhuǎn)換的速度不太高，所以本卡中的A/D轉(zhuǎn)換采用TLC2543，它是TI公司生產(chǎn)的帶串行控制的11路12位A/D轉(zhuǎn)換器件，能對(duì)0~5V信號(hào)進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換器采用TI公司的雙路12位串行接口的D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC5618。為了適合更多的工業(yè)控制要求，本控制卡目前使用了兩片TLC5618，共可以輸出4路模擬量。為了提高抗干擾能力，對(duì)輸入輸出端口采用TL521-4進(jìn)行光電隔離。RS-232接口采用MAXIM公司的MAX232芯片作為電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平與計(jì)算機(jī)的RS-232電平的轉(zhuǎn)換。同時(shí)為了提高整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，對(duì)RS-232通訊口進(jìn)行光電隔離。由于系統(tǒng)通訊速度可能要求比較高，所以采用了高速光耦6N137作為隔離元件，同時(shí)增加一個(gè)DC-DC變換器，產(chǎn)生隔離電源，供隔離后的電路使用（如圖2所示）。在本卡中，P1用于對(duì)一些串行接口的芯片進(jìn)行控制，為了節(jié)省口線，對(duì)公共的CLK、DI、DO線公用，組成一條串行總線系統(tǒng)，P13、P14、P15、P16分別為各芯片的片選信號(hào)。具體接法如圖3所示。

本控制卡由ATF16V8可編程邏輯芯片負(fù)責(zé)地址譯碼。62256地址為0~7FFFH，其片選信號(hào)直接接地址線A15。8255基地址FF00H，其片選信號(hào) CS=A8+A9+A10+A11+A12+A13+A14+A15;2片輸出口擴(kuò)展74LS377地址分別為FB00H和FC00H，其片選信號(hào)為CS1=A15+A14+A13+A12+A11+A10+A9+A8;CS2=A15+A14+A13+A12+A11+A10+A9+A8。

軟件設(shè)計(jì)

本卡軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，串行口的接收采用中斷方式，串口發(fā)送采用查詢方式，當(dāng)收到一個(gè)完整的指令后，由中斷程序置一標(biāo)志，主程序檢測(cè)到這一標(biāo)志后，對(duì)收到的指令進(jìn)行處理，主程序框圖如圖4所示。

為了本控制卡使用方便，我們制定了一套較為完善的通訊協(xié)議。協(xié)議規(guī)定每一條指令或返回?cái)?shù)據(jù)由以下幾部分組成。

第一字節(jié)：為一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位，指第二字節(jié)到最后一個(gè)字節(jié)的字節(jié)總數(shù)。

第二字節(jié)：一個(gè)表示數(shù)據(jù)或指令類型的ASCII碼，“D”表示開關(guān)量，“A”表示模擬量，“T”表示計(jì)算返回的值。

第三字節(jié)：一個(gè)表示輸入輸出類型的ASCII碼?！癘”表示輸出，“I”表示輸入。

最后字節(jié)：表示除第一字節(jié)和最后一字節(jié)外的校驗(yàn)和，取低8位。

中間的其余字節(jié)為數(shù)據(jù)內(nèi)容，表示模擬量時(shí)為模擬量的二進(jìn)制值，表示開關(guān)量時(shí)為開關(guān)量的狀態(tài)。在通訊時(shí)，接收方如正確接收則返回1AH，否則返回1CH，請(qǐng)求重發(fā)。具體的指令設(shè)置包括有以下幾種情況：

讀開關(guān)量狀態(tài) 格式：字節(jié)數(shù) “D”“I”；響應(yīng)：字節(jié)數(shù) “D” “I” “FFFF”，其中，F(xiàn)FFF為2個(gè)字節(jié)，分別對(duì)應(yīng)16路開關(guān)量的狀態(tài)，為“1”時(shí)表示有電壓輸入。

寫開關(guān)量狀態(tài)格式：字節(jié)數(shù)“D”“O”“N”“M”；響應(yīng)：無(wú)；N（00H~0FH）表示通道號(hào)；M表示狀態(tài)，0表示無(wú)輸出；當(dāng)N=FF時(shí)，表示對(duì)所有通道進(jìn)行操作，此時(shí)M為16位（兩字節(jié)）。

讀A/D格式：字節(jié)長(zhǎng)“A” “I” “N”；響應(yīng)：字節(jié)長(zhǎng) “A” “I” “N” “FFFF”；N為A/D通道號(hào)；FFFF為雙字節(jié)，是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，高4位在前，低8位在后。

寫D/A 格式：字節(jié)長(zhǎng) “D” “I” “N” “FFFF”；響應(yīng)：無(wú)；FFFF為雙字節(jié)，是D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果，高4位在前，低8位在后。

讀計(jì)數(shù)器格式：字節(jié)長(zhǎng) “T” “I”；響應(yīng)：字節(jié)長(zhǎng) “T” “I” “FFFF”；FFFF為計(jì)數(shù)結(jié)果。

啟動(dòng)計(jì)數(shù)功能格式：字節(jié)長(zhǎng) “T” “S”；響應(yīng)：無(wú)，在此協(xié)議的基礎(chǔ)上，我們還可以設(shè)置一些其它指令，但需要在控制卡運(yùn)行相應(yīng)的程序。

應(yīng)用

本控制卡價(jià)格低廉，使用方便，無(wú)需打開計(jì)算機(jī)裝卡。這樣，在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，用一臺(tái)筆記本電腦就可以很方便地調(diào)試系統(tǒng)，且可以利用許多現(xiàn)成的串口通訊控件，如VB中的MSCOMM控件，VC中的Microsoft Communication Control這一Active類控件來(lái)很方便地編寫應(yīng)用程序。