多通道I/O装置的设计与实现

【摘 要】由于目前市场上普遍使用的多I/O装置端口数量有限，且端口模式固定，这与功能越来越强大的工业控制系统相矛盾。本文主要针对工业控制领域低成本、高可靠性、高稳定性的要求，设计了一套基于STC12C5A60S2单片机的主从式多通道I/O装置。该装置由主板和分板组成，主板负责把分板传来的信息送给上位机，同时将上位机发来的指令传给分板。分板只负责接收I/O端口信息，并将这些信息传给主板，上位机不直接与分板通信。I/O端口的数量可以根据实际需要进行扩展，I/O端口模式通过程序可以任意设定。

【关键词】多通道 I/O端口 主板 分板

随着现代化工业的发展进步，工业控制系统的功能越来越强大，连接的外设也越来越多。这些外设通过I/O装置与计算机之间连接，计算机通过发送指令给I/O装置来完成对其他设备的控制，I/O装置起到桥梁的作用。因此要求I/O装置的端口数量应尽量多、输入输出端口能灵活配置、有较强的抗干扰能力、有标准的通信接口、性价比高。

1 多I/O装置的现状

目前市场上普遍采用多I/O卡或多I/0模块。

它们具有体积小巧、携带方便、工作温度范围宽、功耗低等优点，但也有不容忽视的缺点：

（1）端口数量不多，大部分产品为8、16、32个端口。若工业控制现场需要更多的I/O口，则只能通过组网来控制，这将使控制系统的结构复杂，同时也会使系统的不稳定性增加。（2）I/O端口模式固定，不能灵活配置。（3）价格昂贵，性价比不高。

为了解决上述问题，设计了一款端口数量能扩展、且输入输出端口能灵活配置的多通道I/O装置。它包括主板和分板，通过程序进行控制。

2 多通道I/O装置的硬件设计

考虑到STC12C5A60S2单片机自身的众多优点，该装置采用它作为主控芯片。但由于它只有40个I/O，如果端口数量成百上千的话，一片单片机显而易见满足不了。若采用多个单片机分开单独控制，则每个单片机都要与上位机通信，这样通信效率太低，而且结构复杂，基于以上原因我们选择了一种主从式的结构设计方案，如图1所示（以176个端口数量为例进行说明）。

图1 多通道I/O装置结构图

该结构由1块主板和11块分板构成，主板负责与上位机、分板通信，分板负责接收I/O端口信息，再将信息发送给主板。由于上位机只需与主板单独通信，而无需理会分板，通信效率得到很大提升。

2.1 主板

主板主要包括RS485通信电路、E2PROM扩展电路和地址选择电路，主板主要起到一个通信的作用。

2.2 分板

分板主要包括I/O模块电路、DA输出电路、分板地址选择电路、通信隔离保护电路。每一个多路I/O装置包括11个分板，每一个分板电路都是一样的，通过分板地址选择电路来设定分板的地址。

3 多通道I/O装置的软件设计

多通道I/O装置的软件设计以Keil C51为软件开发平台，分为主板程序和分板程序。主板程序主要完成和上位机、分板的通信。分板程序完成I/O口的输入和输出模式选择以及和主板的通信。

3.1 主板程序设计

主板程序主要完成和上位机、分板的通信以及对分板的每个I/O口功能进行配置。主要包括主板主程序设计、I/O口配置程序设计、主板串口初始化程序、主板串口发送数据程序、主板接受分板数据程序等。

3.1.1 主板主程序设计

多通道I/O装置的主板主程序主要是完成通信功能，包括和上位机、分板通信。主板上电后初始化串口1和串口2，然后清空接受数据缓冲区，接着发送分板I/O口模式配置信息，最后接受和解析上位机发送来的指令。

3.1.2 I/O口配置程序设计

通过主板程序可以配置每个I/O口为输入或输出端口，当作为输入端口时可以作为开关按键和计数按键。配置表信息以一个二维数组的形式在主程序中建立。具体代码如下：

uchar code Tab[11][33]={

{0x01，0x03，0x04，0x01，0x02，0x03，0x04，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，

//板1端口模式选择 0x00，0x00，0x01，0x01，0x02，0x02，0x03，0x03，0x04，0x04，0x05，0x05，0x06，0x06，0x07，0x07}， //板1关联通道选择

{0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x03，0x04，0x03，0x04，0x01，0x02，0x01，0x02，

//板2端口模式选择 0x00，0x00，0x01，0x01，0x02，0x02，0x03，0x03，0x04，0x04，0x05，0x05，0x06，0x06，0x07，0x07}

//板2关联通道选择

……

{0x0b，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，

//板11端口模式选择 0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00}}； //板11关联通道选择

端口模式选择表示定义每一个端口的功能，功能码与其对应的功能如表1所示。

表1 配置表功能码对应的功能

功能码 对应的功能

0x00 默认输出

0x01 输入（开）

0x02 输入（关）

0x03 输入（计数加）

0x04 输入（计数减）

3.1.3 主板串口初始化程序

由于主板既要与上位机通信，又要与分板通信，所以它有两个串口，串口1与分板通信，串口2与上位机通信。每个串行口可以同时发送和接受数据。由于它们通信时不会发生数据冲突，可以共用一个地址码。

3.2 分板程序设计

分板负责采集各个I/O端口的信息，并将采集的信息发送给主板，同时完成主板发送的命令。每个分板的程序都是完全相同的，通过拨码开关设定每个分板的地址。

分板程序主要包括分板I/O口模式选择程序、分板PWM程序设计、与主板通信程序等。

（1）分板I/O口模式选择程序。分板根据主板发来的I/O配置信息后确定每个I/O口模式，包括开关量输入模式、按键计数输入模式和输出模式。（2）分板PWM程序设计。每个分板带有一个DA通道，采用STC12C5A60S2单片机的两路PWM实现DA输出。（3）与主板通信程序。分板通过主板接收来自上位机的数据，每块板根据自己的地址，获取自己板的I/O配置命令，同时分板将I/O的信息发送给主板，由主板传给上位机。具体程序如下：

void RX1_Process（）{ uint i； uint R_addr； R_addr=Config_addr（）； if（RX1_Over==1）

{ if（k==363） { if（RX1_Buffer[R_addr]==slave）

{ for（i=R_addr+1；i

{ RX_flag=1； k=0； //led=！led； } else { RX1_CL0（）； } } else if（k==1）

{ Master_ask_flag=1； //k=0； } else { RX1_CL0（）； } RX1_Over=0； }}

4 系统调试

将研制的主板、分板通过RS485线与PC机相连，下载程序，用串口调试助手运行测试。经测试证明该装置能通过程序任意配置各端口为输入或输出模式，满足设计需求。

参考文献：

[1]陈铁军，谢春萍.PC机与RS485总线多机串行通信的软硬件设计.现代电子技术，2007.

[2]李岩.工业控制现场总线技术.技术与市场，2011.

[3]李阳春.自动控制理论在火电厂热工自动化中的应用.中国科技投资，2013.

作者简介：段春艳（1979—）湖南郴州人，女，汉族，硕士，湖南交通职业技术学院，研究方向：电子技术.