基于DSP和RS-485串行通信的控制系統設計

焦佳偉 ，石云波 ，鄒 坤

（1.蘇州中盛納米科技有限公司，蘇州 215123；2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051）

加速度傳感器在研制后及使用前均需要進行參數性能的測試和標定，用到加速度傳感器批量標定測試設備，該設備在運行過程中，需要下發數據指令進行控制，也需要向上位機反饋運行數據，實時對工作過程中的位置信號以及工作狀況進行監測和在線分析，達到實時監測的目的，因此需要系統和上位機進行通信。通常的微處理器都集成有1路或多路硬件UART通道，可以非常方便地實現和上位機進行串行通訊[1]。在工業控制、智能儀表等領域中，也常常使用簡便易用的串行通訊方式作為數據交換的手段。但在工業控制等環境中，常會有電氣噪聲干擾傳輸線路，使用RS-232通訊時經常因外界的電氣干擾而導致信號傳輸錯誤；另外，RS-232通訊的最大傳輸距離在不增加緩沖器的情況下只可以達到15 m[2]。

本文基于此設計了一種基于DSP和RS-485串行通信的控制系統，該系統選用SP3485芯片進行串行通信，該芯片采用了平衡差分接收的RS-485通信協議標準，其抗共模干擾能力強，接收靈敏度高，通常被用作為一種相對經濟、具有相當高噪聲抑制、相對高的傳輸速率、傳輸距離遠、寬共模范圍的通信平臺。同時，RS-485電路具有控制方便、成本低廉等優點。

1 DSP與RS-485通信電路設計

系統采用TI公司的TMS320F28335芯片，該DSP融合了控制外設的集成功能和微處理器MCU的易用性，具有強大的控制和信號處理能力以及C語言編程效率，能夠實現復雜的控制算法，內部有3路專用的串行通信模塊（SCIA、SCIB、SCIC），每個模塊都有用于通信的I/O引腳：發送端SCIxTXD和接收端 SCIxRXD （x 分別為 A、B、C）。 SCI模塊支持CPU與其他使用標準不歸零碼格式（NRZ）的異步外圍設備間的數字通信。SCI接收器和發射器是各自擁有一個16級深度FIFO，也各自擁有自己的使能和中斷位。兩者都能獨立進行半雙工通信，或者聯立進行全雙工通信[3]。

系統中采用SP3485芯片，該芯片是1種+3.3 V低功耗半雙工RS-485收發器，完全滿足RS-485串行協議要求，數據傳輸速率高達10 Mb/s[4]。

DSP處理器TMS320F28335與SP3485芯片進行連接，構成RS-485通信接口電路，如圖1所示。

圖1 RS-485通信接口電路Fig.1 Communication interface circuit

電路通過光耦TLP512-4對DSP處理器TMS320-F28335和RS-485總線電路進行隔離，提高系統的抗干擾能力。

SP3485接收器和發送器的選擇由DSP的GPIO20引腳控制，通過軟件編程控制GPIO20腳電平，可控制SP3485處于發送或接收狀態。

如果DE的邏輯電平為高時，將使能驅動器的差分輸出；如果為低時，則驅動器的輸出呈現三態。

如果RE#腳的邏輯電平為低時，使能接收器輸入，反之，禁止輸入。

2 DSP串行通信程序設計

DSP的SCI模塊發送器和接收器可以通過查詢和中斷方式進行控制。在查詢方式下，不使能接收和發送中斷，CPU通過查詢相應標志位，狀態成立就去執行相應的動作。這種方式不需要開設SCI中斷，節約了CPU的資源，但是在高速通信速率下，有可能導致數據丟失，因此只建議在低速率情況下使用。在中斷方式下，CPU在中斷服務程序中進行數據的接收和發送，可以保證數據傳送的及時性和確定性，代價是增加了系統中斷[5]。本設計采用中斷方式，上位機和下位機采用應答方式進行通信，系統的串行通信協議具體規定如表1所示。

表1 通信協議格式Tab.1 Communication frames format

下發和上傳數據指令都包括幀頭、字節長度、有效指令/數據、和校驗、幀尾5個部分，協議數據均采用16進制通信。

（1）幀頭：表示一幀數據的開始；

（2）字節長度：表示一幀數據的整個字節長度；

（3）有效指令/數據：有效指令表示上位機要讓下位機執行的命令；有效數據表示下位機向上位機反饋的相關信息；

（4）和校驗：表示有效指令/數據的數據相加和，如果相加超出了FF那么就取和的低字節；

（5）幀尾：表示完整的一幀數據結束。

本系統的通信波特率為9600 b/s，每個字節包括8位數據位和l位停止位，無校驗。接收數據采用中斷方式，發送數據采用直接寫外設方式。對SCI初始化，設置數據幀格式、波特率、中斷優先級等，SCI初始化程序為

采用中斷方式接收數據，在接收中斷服務程序中，讀取SCI接收緩沖寄存器，放在自定義的接收緩沖區內。一條指令信息幀包含多個字節，需要識別完整的一幀數據，設計中通過判斷數據頭、數據尾，對數據長度校驗來保證接收到完整的一幀數據。除了上述措施外，軟件中也啟用了定時器，進行超時處理，若在一定的時間內，沒有完整的接收到一組數據，就將此幀數據丟棄，清除相應標志以及緩沖區，重新接收新的數據指令。具體中斷程序流程圖如圖2所示。

圖2 中斷接收數據流程Fig.2 Interrupt receiving data flow chart

為了保證下發數據指令準確有效執行，在上述措施的基礎上，還進行了和校驗，和校驗程序放到主函數中的while（1）里面進行處理，部分程序為

3 上位機軟件

上位機軟件使用 C++語言開發，開發平臺為Visual Studio 2010，這個版本的Visual Studio提供了對C++新標準的支持，并增加了C++代碼的實時語法錯誤檢查，極大地提高了工作效率[6]。系統控制軟件主要下發控制指令，實現對測試平臺的控制和實時狀態顯示，如圖3所示。

圖3 控制界面Fig.3 Control interface

4 系統試驗與結果

對加速度傳感器批量標定測試設備平臺進行試驗，上位機下發數據指令，主要對水平、豎直、翻轉電機進行操作。通過串口助手下發不同方位電機運轉、停止以及正反運行指令進行測試，測試的部分數據指令如圖4所示。

圖4 測試的數據指令Fig.4 Test data instructions

通過串口助手軟件調試穩定后，換用編寫的上位機控制軟件下發數據指令進行調試，經過反復試驗驗證，電機能夠執行相應的指令，性能穩定、運行可靠，滿足了加速度傳感器的自動化批量標定測試方面的要求。

5 結語

本系統實現了DSP與PC機通過RS-485進行串行通信，并成功應用于加速度傳感器批量標定測試設備中。文中重點介紹了通信電路的設計以及通信協議，還詳細地介紹了DSP通信程序的設計，以及軟件采用的措施，提高系統通信的可靠性。經試驗驗證，該系統硬件電路簡單，軟件編寫容易，數據通信穩定可靠。

[1]王煉紅，章兢.TMS320F2812 DSP與PC機的串口通信設計[J].微計算機信息，2006，22（20）：173-175.

[2]廣州致遠電子有限公司.嵌入式隔離RS-485收發器產品數據手冊[Z]，2009.

[3]劉陵順，高艷麗，張樹團.TMS320F28335 DSP原理及開發編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[4]廣州致遠電子有限公司.數據手冊[Z]，2009.

[5]徐科軍，陶維青，王海寧，等.DSP及其電氣自動化工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[6]邵憲輝.多路加速度傳感器測試系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.