基于PC機(jī)和單片機(jī)主從式測控系統(tǒng)設(shè)計研究

曹森，戚鳳華

（南京曉莊學(xué)院，江蘇南京 210017）

基于PC機(jī)和單片機(jī)主從式測控系統(tǒng)設(shè)計研究

曹森，戚鳳華

（南京曉莊學(xué)院，江蘇南京 210017）

在測控系統(tǒng)的設(shè)計上，很多系統(tǒng)的PC機(jī)只能控制一臺下位機(jī)，從而導(dǎo)致了PC機(jī)資源的浪費(fèi).而利用PC機(jī)和單片機(jī)進(jìn)行主從式測控系統(tǒng)的設(shè)計，則可以使這一問題得到解決.本文基于PC機(jī)和單片機(jī)進(jìn)行了主從式測控系統(tǒng)的設(shè)計，并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計這三個方面對系統(tǒng)電路原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析，對系統(tǒng)的通信問題進(jìn)行了研究.

PC機(jī)；單片機(jī)；主從式測控系統(tǒng)；設(shè)計

在計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，由PC機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的測控系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用.一方面，該類系統(tǒng)擁有來自于PC機(jī)的高性能的軟件功能.另一方面，在數(shù)據(jù)采集和圖形處理方面，該類系統(tǒng)又擁有單片機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和處理的優(yōu)勢.所以，在測控系統(tǒng)設(shè)計中進(jìn)行PC機(jī)和單片機(jī)的應(yīng)用，已經(jīng)成為了測控技術(shù)發(fā)展的一個方向.

1 基于PC機(jī)和單片機(jī)的主從式測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從本質(zhì)上來講，基于PC機(jī)和單片機(jī)的主從式測試系統(tǒng)是建立在485總線型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上.在系統(tǒng)中，PC機(jī)在利用串行口控件的同時，也需要利用RC-232C來完成通信.而在進(jìn)行RS-232C和RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換時，則可以利用MAX232、MAX485芯片來實(shí)現(xiàn)［1］.此外，在進(jìn)行RS-485總線與下位單片機(jī)的連接時，同樣也需要MAX485芯片來完成.所以，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來看，系統(tǒng)包含了上位PC機(jī)部分、RS232接口電路部分、帶光電隔離RS232/485轉(zhuǎn)換電路、RS-485總線型通信網(wǎng)絡(luò)部分和下位機(jī)單片機(jī)部分.首先，上位PC機(jī)作為系統(tǒng)的主控機(jī)，需要被放置在中央控制室.而當(dāng)上位機(jī)需要向下位機(jī)發(fā)達(dá)指令或接收其反應(yīng)時，則需要利用軟件的串口控件和硬件的R232C接口來實(shí)現(xiàn)通信.此外，系統(tǒng)上位機(jī)還要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而使用戶更加方便的進(jìn)行系統(tǒng)的操作［2］.其次，系統(tǒng)上位PC機(jī)采用的通信接口為RS-232C，系統(tǒng)下位單片機(jī)使用的是TTL邏輯電平.所以，想要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信，就需要利用MAX232芯片進(jìn)行接口標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換.再者，系統(tǒng)的RS232/485轉(zhuǎn)換電路由芯片和光電耦合器組成，而系統(tǒng)的總線型通信網(wǎng)絡(luò)則為主從式微機(jī)網(wǎng)絡(luò).因為，利用RS-485總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信，可以使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信.最后，系統(tǒng)的下位機(jī)是由8051單片機(jī)為核心，并進(jìn)行信號顯示、鍵盤和時鐘電路等外圍電路的配置.

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計時，需要以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，重點(diǎn)進(jìn)行重要環(huán)節(jié)的電路設(shè)計.首先，在進(jìn)行RS232接口電路的設(shè)計時，要進(jìn)行其主要功能的實(shí)現(xiàn)，既PC機(jī)與外部連接設(shè)備的電平轉(zhuǎn)換.而由于擁有全雙工的串行通信口，8051單片機(jī)可以與PC機(jī)進(jìn)行串口通信.但是，由于PC機(jī)串口為RS232電平，單片機(jī)串口為TTL電平，所以還需要利用MAX232芯片進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信.其次，在進(jìn)行RS232和RS485轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計時，則需要采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)［3］.而為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信，則要利用MAX485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為485電平.但值得注意的是，為了使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，還要在MAX232芯片和MAX485芯片間加入單向傳輸?shù)墓怆婑詈想娐罚瑥亩苊廨敵龆说母蓴_信號反饋到輸入端.再者，在進(jìn)行RS-485總線型網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計時，則要采用主從式結(jié)構(gòu).具體來說，就是使上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的通信控制，并不允許下位機(jī)主動進(jìn)行指令或數(shù)據(jù)的發(fā)送.而這種電路設(shè)計，可以使系統(tǒng)的每一個發(fā)送器驅(qū)動進(jìn)行多個負(fù)載設(shè)備的連接的同時，又可以避免系統(tǒng)遭到其他設(shè)備的干擾.此外，系統(tǒng)的下位單片機(jī)電路設(shè)計則要保證MAX485的DE端電位為“0”.因為，系統(tǒng)的PC機(jī)與下位機(jī)之間的通信線路一般要長達(dá)幾百米，所以二者之間的通信狀態(tài)并不統(tǒng)一，因此容易出現(xiàn)通信的困難.而保證8051單片機(jī)在復(fù)位時的I/O口輸出為高電平，則可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信.最后，在進(jìn)行系統(tǒng)供電電路的設(shè)計時，要利用直流穩(wěn)壓電源來進(jìn)行供電［4］.而該電源主要由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，可以維持直流穩(wěn)定的電壓的輸出.

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計時，可以利用串口控件MSComm來進(jìn)行PC機(jī)和單片機(jī)通信的實(shí)現(xiàn).因為，該控件不僅能夠進(jìn)行串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的設(shè)置，還能設(shè)置串口狀態(tài)和串口信息格式.

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計

在進(jìn)行上位PC機(jī)軟件的設(shè)計時，可以利用MSComm通信控件來進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送.而進(jìn)行該種控件的應(yīng)用，就可以使用戶不必進(jìn)行通信底層的操作，從而實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的直接通信.由于系統(tǒng)本身是主從式的測控系統(tǒng)，所以可以采取主機(jī)查詢、從機(jī)中斷的通信方式進(jìn)行通信的實(shí)現(xiàn).在系統(tǒng)進(jìn)行通信的過程中，需要進(jìn)行地質(zhì)信息的識別和輸入，并且需要采用輪詢的方式進(jìn)行通信.具體來說，就是只有在PC機(jī)訪問從機(jī)時，從機(jī)才能有所反應(yīng)，而其余時間從機(jī)則要保持在等待串行中斷的狀態(tài)［5］.此外，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，PC機(jī)還要查詢各個單片機(jī)端口.而單片機(jī)則要保持監(jiān)聽狀態(tài)，從而及時進(jìn)行指令的接收.

3.2 下位單片機(jī)軟件設(shè)計

在進(jìn)行單片機(jī)的軟件設(shè)計時，要采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送.具體來說，就是以定時器T1為波特率發(fā)生器，在波特率與PC機(jī)一致時，單片機(jī)則可以利用串行口完成數(shù)據(jù)通信.而為了保證PC機(jī)始終只與一臺從機(jī)進(jìn)行通信，下位單片機(jī)只能在PC機(jī)發(fā)出與自身地址碼一致的地址時，才能向PC機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號.此外，單片機(jī)程序應(yīng)由下位機(jī)主程序和中斷程序兩部分構(gòu)成.其中，下位機(jī)主程序不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化，還要完成數(shù)據(jù)的傳輸工作.而中斷程序則要輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，并實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和主機(jī)的連接.

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計時，要保證數(shù)據(jù)的存儲管理更有效率.而系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫只是進(jìn)行下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲的，所以數(shù)據(jù)量相對不是很大.因此，可以利用MicrosoftAccess格式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和處理［6］.而該數(shù)據(jù)庫不僅具有結(jié)構(gòu)簡單和靈活等特點(diǎn)，還便于用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的管理和使用.在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的時候，可以利用數(shù)據(jù)訪問對象、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)對象和ActiveX數(shù)據(jù)對象來進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問.而數(shù)據(jù)庫的訪問方法則為數(shù)據(jù)控件法，既利用AdoData控件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的操縱.

3.4 系統(tǒng)界面的設(shè)計

進(jìn)行系統(tǒng)界面的設(shè)計，是為了更好的方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)的使用.所以，在進(jìn)行系統(tǒng)界面設(shè)計時，要盡量使用便于用戶掌握的編程語言，從而方便用戶的使用.而利用VisualBasic6.0開發(fā)軟件進(jìn)行系統(tǒng)界面的設(shè)計，則可以進(jìn)行適用于Windows環(huán)境的應(yīng)用程序的編寫，從而在節(jié)省設(shè)計者的大量時間.從內(nèi)容上來看，系統(tǒng)的界面包含了密碼確認(rèn)界面、主操作界面、參數(shù)設(shè)置模塊、程序說明模塊、CRC運(yùn)算模塊和查詢模塊這六部分.其中，密碼確認(rèn)界面需要用戶進(jìn)行密碼的輸入，從而進(jìn)行用戶身份的確認(rèn).主操作界面則需要進(jìn)行接收顯示、文件傳輸、菜單和主要功能的按鈕的設(shè)置，從而方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)功能的選擇.參數(shù)設(shè)置模塊的設(shè)計則可以進(jìn)行通信時的串口號、波特率和停止位數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，從而使系統(tǒng)程序適用于各種工作情況.程序說明模塊則是用來進(jìn)行串行通信程序相關(guān)信息的顯示，從而便于用戶進(jìn)行軟件的了解［7］.而由于系統(tǒng)通信的過程可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，所以需要利用校驗碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測.而CRC運(yùn)算模塊則可以為用戶提供檢測數(shù)據(jù)的操作，從而使用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的確認(rèn).此外，界面設(shè)計部分還包含查詢模塊，既可以為用戶提供查詢數(shù)據(jù)來源、時間、傳輸情況等信息的操作界面.

總而言之，基于PC機(jī)和單片機(jī)的主從式測控系統(tǒng)不僅具有單片機(jī)集成度高、控制能力強(qiáng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，還具有PC機(jī)在處理數(shù)據(jù)、圖像處理和網(wǎng)絡(luò)通信等方面的優(yōu)點(diǎn).所以，設(shè)計者想要進(jìn)行主從式測控系統(tǒng)的設(shè)計，就可以進(jìn)行PC機(jī)和單片機(jī)的利用，并利用MAX232芯片和MAX485芯片來進(jìn)行系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)，從而更好的進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用.

〔1〕胡中功，黃波，江維.基于RS485總線的PC與單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2012，01（01）：30-35.

〔2〕王士爭.主從通信模式下即插即用技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)［D］.南京郵電大學(xué)，2012.

〔3〕史媛芳.PC機(jī)與C51單片機(jī)的串行通信研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2014，36（10）：810-817.

〔4〕焦向峰.基于單片機(jī)的齒輪角度測控系統(tǒng)設(shè)計［J］.智富時代，2014，12（01）：158-160.

〔5〕張聰.一個通用測控系統(tǒng)的設(shè)計與案例定制［D］.北京郵電大學(xué)，2012.

〔6〕周先輝，毛翠麗，王長河.基于STC12C5A與PC串口通信的溫度測控系統(tǒng)開發(fā)［J］.南陽理工學(xué)院學(xué)報，2012，04（04）：52-55.

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1673-260X（2015）05-0025-02