RS485通信模式控制开关量输入及输出的设计及实现

贾婉艳，冯 凯

（1.河南金威通信技术有限公司，河南 郑州 450001；2.河南工业大学 漯河工学院，河南 漯河 462000）

RS485总线是一种常见的串行总线标准，采用平衡发送与差分接收的方式，具有抑制共模干扰的能力，通信距离理论值可达到1200 m，支持多节点传输，最高传输速率达到10 Mbps，因此RS485总线在多节点工作系统中有着广泛的应用［1］，达到远程控制设备工作状态的目的。

在远程电力抄表系统、远程电力控制、远程供水、智能大棚等应用场景中，需要实现远程控制、监测、管理用户设备，从根本上降低人力成本，提高工作效率。在这种场景中传输模式多用RS485通信模式、RS422通信模式［2］。本文采用单片机控制器实现RS485通信线路上的4路开关量输入及4路继电器输出功能。

1 系统总体设计

该系统包括主控制电路、电源调整电路、隔离驱动电路、通信电路等模块（见图1）。电路设计简单紧凑，功耗较低［3］。软件系统采用双看门狗设计（软件复位功能+硬件看门狗复位功能），保证程序运行出错时89C52能及时自动复位。系统在设计时嵌入INT模式，用户根据需要可以重新设置系统参数并存储在E2PROM中。

图1 系统功能模块框图

2 系统硬件设计

2.1 主控电路模块设计

主控芯片采用单片机89C52，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，片内含有8k字节PEROM、256字节RAM、32位I/O口线、看门狗定时器，内置4KB EEPROM、复位电路、3个16位定时器/计数器（T0，T1，T2）、4个外部中断、一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构）、全双工串行口、片内振荡器及时钟电路［4，5］。工作电压5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机），工作频率范围0～40MHz，工作温度范围-40℃～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。与标准MCS51指令系统兼容，适用于较为复杂的控制场合。该芯片使用率高、性能稳定，而且简单好用，性价比较高，在工业控制产品中应用较多。其外围包括看门狗器件，用以保证程序运行出错时能及时服务；EEPROM器件，用于存储系统设置好的参数。串行EEPROM是基于I2C-BUS的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有价格低廉、接口方便、体积小、数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量应用［6］。系统设计采用双看门狗设计，包括模块看门狗和软件看门狗。模块（如MAX813L）看门狗采用硬件复位电路，当设备在工作环境干扰严重、受干扰停机时，复位电路使模块重新复位，保证设备继续工作。软件看门狗通过程序监视主芯片的工作状态，当看门狗定时电路启动时，模块发送事先设定好的数值，使程序重新运行，防止监视对象发生意外事故［7］。双看门狗功能设计能保证系统运行更加稳定和可靠。

单片机89C52［10］主控电路如图2所示。

图2 单片机89C52主控电路图

89C52的P1端口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收并输出4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，在此方案中，P1.0～P1.3是4路开关量的状态输入端。硬件看门狗由芯片MAX813L实现，在上电、瞬时掉电及程序运行出错，以及系统程序运行错误而无法自我复位时，看门狗输出复位信号，使89C52重新复位，程序重新运行，使系统恢复正常。在程序中还要用软件看门狗监视主机的工作状态，可根据实际情况设置定时时间，防止系统程序运行时出现死机现象。

本方案采用EEPROM，保存系统的配置信息，如地址、波特率、信号类型等信息。P3.4和P3.5作为二线制串行接口，包括时钟输入和数据接口。EEPROM方案中AT24C02容量设计值为256Byte，实际应用时可以根据需要灵活选择，一个总线上最多可寻址4个4k器件，在SCL时钟信号的上升沿将数据送入EEPROM，并在时钟的下降沿将数据读出［8］。89C52的第21管脚XTAL1是振荡器反向放大器及内部时钟发生器的输入端，第20管脚XTAL2是89C52的振荡器反向放大器输出端，本方案采用外部起振方式。

本方案中89C52 P2口的P2.1～P2.4为4路继电器输出控制端，作为输出口时要加上拉电阻，可以降低杂波干扰，保证端口电平的稳定性。89C52的P2.0管脚用作RS485通信模块的读写控制信号，P3.0、P3.1管脚用作与通信模块的收发数据端口［9］。

2.2 开关量输入输出驱动及隔离电路模块设计

系统采用TLP521作为隔离器件。TLP521是可控制的光电耦合器件，使开关量负载和本电路完全隔离，减少电路干扰，对主控电路起到保护和隔离作用，其集电极和发射极之间的电压最小值55V，隔离电压最小值2500V。具体电路如图3所示，标号OUTCOM为外接电源12V或24V的公共端；DIA1～DIA4是开关量输入端，接外部开关设备，当DIA状态发生变化时，对应的光耦器件内部的发光二极管状态也会随之改变，导通或者截止，致使光耦器件的集电极管脚状态也发生改变，即DI1～DI4电平也发生改变，输入到89C52的对应管脚，从而采集到信号变化，完成该路开关量的状态的读取［10］。

图3 开关量输入输出隔离驱动电路

开关量输出控制继电器电路采用74HC14、ULN2003器件驱动。74HC14是高速CMOS器件，六反向斯密特触发器，耗电量低、速度快，对89C52输出波进行整形，把缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号，增强了信号的驱动能力。工业级工作温度为-40℃～+125℃，能满足环境要求。ULN2003是大电流驱动阵列，ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7KΩ的基极电阻，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，5V供电时，输出可达500mA/50V，适应于要求高速大功率驱动的系统，在此带载4路5V A型继电器，通过控制继电器的关闭动作继而控制外部开关量的开关动作。

继电器控制电路如图4所示。

图4 继电器控制图

JDQC1是ULN2003输出的控制信号，RL1-NO和RL1-COM接外部开关量的两端。随着ULN2003输出管脚JDQC1电平的变化，继电器内线圈电流发生变化，在电磁感应作用下控制继电器的开闭状态，从而控制开关的断开和连通。

2.3 ADM485通信模块设计

ADM485是一款差分线路收发器，适用于多点总线传输线路的高速双向数据通信。它针对平衡数据传输而设计，符合EIA标准RS-485和RS-422。该器件内置一个差分线路驱动器和一个差分线路接收器，驱动器和接收器均可独立使能［11］。禁用时，输出处于三态。ADM485采用+5V单电源供电。内部热关断电路可防止总线竞争或输出短路导致功耗过大。故障条件下，如果检测到内部驱动器电路的温度显著升高，此特性将强制驱动器输出进入高阻抗状态［12］。ADM485驱动器在禁用和关断时处于高输出阻抗状态。当收发器不用时，可以使负载效应降至最低。在-7V至+12V的整个共模电压范围内，驱动器均可保持高阻抗输出。所有输入和输出均提供ESD保护；所有驱动器输出均有较高的源电流和吸电流能力。ADM485的开关速度极快，驱动器传播延迟极小，数据传输速率最高可达5 Mb/s，而低偏斜则使电磁辐射（EMI）降至最低，抗共模干扰能力大大增强，适用于嘈杂环境中长线传输。

此方案中，89C52的P2.0（D/R）端口用于控制ADM485的读写使能信号，当D/R信号为1时进行读操作，当D/R信号为0时进行写操作。在每一个字节传送之前，先要通过一个低电平起始位实现握手。为防止干扰信号误触发ADM485的1脚（接收器输出端）产生负跳变，使接收端MCU进入接收状态，在ADM485的RXD端接上拉电阻［13］。

ADM485的第6、第7管脚即总线的A线、B线，需要在A线上加一个4.7KΩ的上拉偏置电阻，在B线上加一个4.7KΩ的下拉偏置电阻，AB线间根据线路阻抗加上匹配电阻，并连接双向TVS二极管进行抗浪涌冲击、雷击电压保护，适应在条件恶劣的环境下工作。RS485通信模块电路如图5所示。

图5 RS485通信模块电路

3 系统软件设计

软件系统采用硬件看门狗复位和软件复位双保险方式，确保发生干扰时程序出错的情况下能及时复位，从而保证系统的正确运行［14］。系统还设计了INT模式，若用户忘记了初始的配置或需要重新设置参数时，可以激活INT模式，重新设置系统参数。激活INT模式需要关断电源，把INT#引出端子与GND短接，然后加电。系统初始状态被强行设置为 Address=00，baudrate=9600，No checksum。上电复位后，所有输出恢复为上电值，模块可以接收主机命令来改变输出值。

上电后，先读取INIT（P1.5管脚）状态，如果该管脚为1，从E2PROM里读取数据，进行单片机和外设的初始化，开始程序的正常运行。如果该管脚为0，则进入参数设置模式，将参数写进E2PROM。系统初始化完成后，串口扫描接收485总线数据，按照约定协议进行地址比对，校验比对都正确的话进行指令解析，执行相应的命令，读取相应通道开关量输入（P1.0～P1.3管脚）或者控制相应继电器的状态输出（P2.1～P2.4）。上电后，所有模块输出恢复为默认值，系统初始化后，模块接受89C52的命令来改变输出值［15］。

主程序流程如图6所示。

图6 系统软件流程图

4 系统运行

在电路板布线时，要合理布局，充分考虑电路的抗干扰能力。数字部分和模拟部分尽量分开布局，数字地线和模拟地线分开设置，充分考虑电磁兼容性，尽可能减小相互干扰。经过多次测试，该系统隔离电压达到3700 V，抗浪涌电压达到4000 V，控制继电器吸合时间最大值为5 ms，释放时间最大值为3 ms，宽范围供电，供电电源：10 V～30 V DC，整机功耗1.6 W。该系统在远程抄表、农业灌溉用水管理系统中得到多次应用，系统运行稳定可靠，能实时读取开关量的状态、准确控制继电器的输出，在远程控制系统中发挥了不可替代的作用。