基于RS232通信光電隔離及云臺控制器設計

袁邵祎 曾文 胡彬

摘 要：本文介紹了一種實用簡單的RS-232光電隔離通訊接口設計方法，通過光電耦合器對信號進行濾波，實現防干擾能力；并設計出一個AT89C2051單片機和PC機通訊的硬件連接電路、完整的通訊協議和軟件設計流程，最后在實現在云臺控制器上應用的實例。

關鍵詞：光電隔離；通信；RS-232；云臺

RS-232是EIA（美國電子工業協會）在上世紀60年代設計的一種串行通訊接口標準，一直廣泛應用于通訊領域[ 1 ]。然而，面對復雜多變的電氣環境，RS-232通信極不穩定，受環境干擾大；而且RS-232通信距離也不是很長。為了提高通信的抗干擾能力，本設計在RS-232通信模塊中添加光電隔離技術，實現電氣隔離，對信號進行過濾處理。本文將RS-232串行通信接口應用于云臺控制器上進行實例檢測應用，詳細介紹如何利用MAX232串行通信接口芯片給AT89C2051單片機進行光電隔離RS-232串行接口通訊[ 2 ]。

1 設計目標

本文的目標是設計一個當下實際通訊應用下開放、通用的系統，因此采用了通用通訊標準去設計方案。本設計的目的是實現基于RS-232總線上的數據通訊與控制的系統，利用單片機對數據采集而后進行處理控制。可采集電壓、電流、脈沖等信號，即收集即將輸入云臺各種數據信號，送給光耦對信號進行篩選，再將信號提供給單片機，單片機根據光耦過濾的信號對外部裝置發出相應指令（單片機程序設計好的），從而實現對裝置的控制。

技術指標要求：（1）工作電源，輸入電壓5V直流±10%，電流不大于300mA。（2）通迅接口符合RS232電平標準，波特率高達250KB。（3）兩路獨立RS-232通迅，輸入、輸出間電路相互間隔離，兩路輸入端地相互間隔離，兩路輸出端地相互間隔離，通迅地與工作電源地相互間隔離，隔離電阻1000M歐以上。（4）通迅端口輸入端抗干擾峰值電壓可達15KV。（5）開關K1、K2、K3、K4、K5的通斷負載電壓/電流為300V/300mA，接通時間0～24小時可調（默認為1秒）。

2 電路設計說明

根據單片機基本原理設計如下電路圖：

基于RS232通信光電隔離通訊電路設計圖

電路工作原理：

通過AT89C2051單片機來對電路信號處理和控制，同時利用MAX232芯片來實現TTL電平（計算機輸出信號電平5v）和RS232電平（電路傳輸工作電平12v）之間轉換，以達到用RS232電平來傳輸信息，實現抗干擾和遠距離傳輸信號的效果；同時通過光耦實現輸入端和輸出端電信號隔離，并且對輸入信號進行濾波。電路中還利用DS1232（看門狗芯片）對電路自檢和保護作用。最終實現計算機對設備的控制。

通過過設計好RS-232的通信模塊，實現基于RS-232總線的數據通信與控制；而后加入繼電器控制模塊電路，實現單片機主從機之間的數據通信，從而達到PC端對設備的控制；接著，設計出PC端和設備端進行數據采集與控制的模塊，單片機都按自己的任務進行相關數據采集或者控制。在硬件都設計好后，調試通過，這時要跟據整個系統編制出一定的通信協議，選擇最優方案，實現PC端和設備端的數據通信[ 3 ]。這些在程序設計中實現，軟件采用Keil軟件進行編程。PC端和設備端在實現數據通信后，按照擬定的通信協議，提取有用數據信息，從而按照這個信息，進行相關操作，以達到基于RS-232總線上的數據通信與控制的目的。

本設計硬件電路部分主要包括MAX232電平轉換、單片機最小系統、五路光電轉換電路、RS-232通訊電路、五路信息傳輸電路等；軟件部分主要包括系統初始化、RS-232通訊協議、AD/DA驅動等[ 4 ]。

3 基于RS232通信光電隔離通訊在云臺控制器的運用

3.1 通信協議設置

晶體11.0592M下RS232串行通迅方式，波特率9600，校驗位PNONE。

3.2 對外接口設置

（1）5V+、GND電路板工作電源，輸入5V直流電壓；

（2）K1+、K1- 通道一控制，閉合時開啟，斷開時停止；

K2+、K2- 通道二控制，閉合時開啟，斷開時停止；

K3+、K3- 通道三控制，閉合時開啟，斷開時停止；

K4+、K4- 通道四開啟，閉合時開啟，斷開時停止；

K5+、K5- 通道五開啟，閉合時開啟，斷開時停止；

（3）通迅1輸入：TX1、GND1、RX1；通迅2輸入：TX2、GND1、RX2；

（4）通迅1輸出：TX1、GND、RX1；通迅2輸出：TX2、GND2、RX2；

（5）指示燈POW1、POW2分別指示內部兩路隔離電源的工作狀態；點亮表示工作正常。指示燈K1、K2、K3、K4、K5指示相對應的開關狀態，點亮時表示接通。

（6）測試按扭S1，按下時K1、K2、K3、K4接通，相對應的指示燈點亮。

3.3 通迅協議設置

（1）通道1、通道2輸入指令33A6同時控制K1、K2、K3、K4接通時間一秒，相對應的指示燈亮。

（2）通道1、通道2分別輸入指令33A1、33A2、33A3、33A4、33A5，分別控制K1、K2、K3、K4接通，接通時間一秒，相對應的指示燈亮。

（3）單片機上電開啟或熱啟動時，通過RS232通道1返饋信息66 D9 20 13 06 15。

（4）S1鍵盤按下后立即釋放，測試K1、K2、K3、K4開關性能，接通時間一秒，相對應的指示燈亮，同時通過RS232通道1返饋信息66 DA A1 A2 A3 A4。S1鍵盤按下保持時間超過2秒以上時，測試K1、K2、K3、K4、K5開關性能，接通時間一秒，相對應的指示燈亮，同時通過RS232通道1返饋信息66 DA A1 A2 A3 A4A5。

（5）通道1、通道2在超過24小時后，無任何通迅時，關機復位。

（6）系統受干擾頻繁通迅時，關機復位。

（7）168小時（一周）后同時收到關主機的命令“30H”后，關機復位。

4 產品測試

（1）插入好測試插座（測試插座圖紙R232TEST.S01），接入+5V電源，觀察指示燈狀態，POW1、POW2常亮，RUN省爍。觀察電流消耗應小于200mA。

（2）測試端與電腦串口連接，打開串口調試軟件（見圖）。

設置波特率為9600bit/S，校驗位：PNone，數據位8，停止位為1，十六進制收發及顯示，做以下操作：輸入指令33后，系統復位，接收窗口應能接收到字符66 D9 20 13 06 15。發送十六進制任意字符（33以外），接收窗口應能接收到同樣的字符。輸入指令33A6后，K1、K2、K3、K4點亮1秒后熄滅。輸入指令33A5后，K5點亮1秒后熄滅。

（4）S1鍵盤按下保持時間超過2秒以上時，K1、K2、K3、K4、K5相對應的指示燈亮一秒后熄滅，接收窗口應能接收顯示66 DA A1 A2 A3 A4 A5。

（5）通過以上測試，產品合格。

5 結語

根據本設計理論分析與實驗表明：從對云臺控制器的實例應用來看，本文所采用的原理和方法是正確的，達到了題目設計要求。本設計的信息通訊只能完成單向的數據傳輸和控制等基本功能，系統設計比較簡單。因此，本設計可在多方面進行充實和完善。

參考文獻：

[1] 肖海榮光電隔離的RS-232串行接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2001，（8）：38.

[2] 幸國全單片機系統的光電隔離式RS-232接口設計[J].測控技術，2001，20（1）：62.

[3] 南華大學基于RS485的遠程采集與控制系統的設計[D].畢業論文，2013.

[4] 何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990

[5] 楊將新.單片機程序設計及應用從基礎到實踐[M].北京：電子工業出版社，2006.

*通信作者：胡彬