基于Proteus的RS485總線串行通信的設計與仿真

張果，鄧成中

（西華大學機械工程學院，四川 成都 610039）

前言

隨著科學技術不斷地發展，現場總線技術也得到了很大的提升。當需要的通訊距離在幾十米到千米左右時，在工業控制上廣泛采用RS485現場總線來進行通訊，RS485總線的通訊線只需要兩根雙絞線就能夠實現多個站點聯網，形成主從分布式結構的系統。RS485總線串行通信方式以其簡潔靈活、設備簡單、性價比高，且能夠進行長距離的通信，使其在工業控制系統如鍍鋅溫度控制系統、抄表系統中，特別是中小型數據采集和控制系統得到了廣泛的應用。為加深對RS485總線串行通信的理解，本文提出基于Proteus的RS485總線串行通信的設計與仿真，并以數碼管顯示為例，給出了其軟硬件的設計，并使用Proteus對其進行了仿真，仿真結果驗證該總線通訊方式的正確性。

1 系統總體設計

在現代工業自動控制技術、智能儀器儀表等技術領域中，使用PC機來作為工業自動控制的管理上位機已經越來越廣泛，且符合控制技術的發展要求。由于PC機的串行接口為標準的RS232C接口，若下位機設置有RS232C接口，兩者可直接連接，但RS232C通信距離很短，僅為十幾米，而且在工業控制中，顯然無法完成較長距離的通信。因此選用RS485的串行接口標準可實現PC機的遠距離通信，進而對所屬的下位機進行管理，控制其完成相應的工作任務。圖 1為該系統的總線通訊示意圖，下位機系統中有多個從機，RS232轉RS485的轉換器與從機系統中RS485接口芯片通過平衡雙絞線制的通信電纜線進行連接，每一個從機都有該接口芯片電路。上位機PC使用串口DB9與RS232轉RS485的轉換器即可，電腦端使用適合的上位機軟件編寫控制界面，也就是工業控制中所提到的人機交互界面用于來控制下位機系統和將下位機的數據信息實時反饋給用戶。

該圖中上、下位機系統通訊方式為典型的主從分布式，也稱為輪叫輪詢方式，即主機按順序依次發送問詢數據幀或控制數據幀，在規定的時間內對應下位機相應主機（上位機），發送回答幀或數據幀，其他下位機不響應主機，所有下位機掃描完畢后，重復以上過程。RS485總線網絡就是基于這種方式，作網絡連接時，標準接口可連接32個從設備，增強型接口轉換系統可連接64個、128個、256個等，其總線網絡組成框圖如圖2 所示。

圖2 RS485總線網絡組成框圖

表1 DB9端口引腳定義

2 硬件電路設計

2.1 RS485電平轉換電路

對于RS485標準串行接口來說，其電氣標準采用的是正邏輯，邏輯“1”代表+200mV～+6V，邏輯“0”代表-200mV～-6V，邏輯不變時代表-200mV～+200mV，RS485的接口特點在于采用雙端平衡輸出驅動，雙端差分接收。而PC機主板外設串口為DB9端口，其引腳定義如表1所示。

該接口采用的RS232C標準串行接口，其電氣標準采用的是負邏輯，邏輯“1”代表-3V～-15V，邏輯“0”代表+3V～+15V，邏輯不變時代表-3V～+3V，由此可知，RS485電平和RS232的電平是不同的，故兩者連接使用時，需要進行電平轉換。對RS232串口電平轉TTL電平，選用MAX232芯片即可完成此功能的轉換，對RS485電平轉換成RS232電平，選用 MAX487芯片來完成，在實際應用中，設計的 RS232轉RS485電路原理圖如圖3所示。

圖3 RS232轉RS485電路

圖4 Proteus中RS232轉RS485電路

在圖3中，DB9為PC端的串口，其與電腦主板CPU的串口通訊模塊連接，MAX487的 A、B信號線與從機中的RS485接口連接，MAX487芯片的DE、RE為發送和接收的控制端。以PC機的RS232作為參考端，當作為接收端時，數據從RS485端向左通過轉換電路的同路流向RS232端，此時，接收端不會發送數據出去給RS485端，處于等待狀態，DB9的3腳TXD輸出邏輯1，經過MAX232內部的反相器調整后輸出TTL高電平，接著再經過三極管Q1進行反相，輸出低電平，當RE、DE都為低電平時，MAX487芯片處于接收狀態，接收下位機發送來的數據幀；當作為發送端時，數據從RS232端向右通過轉換電路的通路流向RS485端，在其輸出負邏輯低電平，TX管腳為低，經過芯片內部的反向器調整對應輸出TTL低電平，再經過三極管Q1的反向，輸出高電平，在RE、DE都為高電平時，MAX487芯片處于發送狀態，將上位機的控制命令幀發送給等待接收的下位機的RS485接口。在進行Proteus仿真軟件中，其元器件庫中串口DB9的名稱為COMPIM，該模塊內部帶有RS232電平轉換功能，可直接與主機的相連，無需外部再添加MAX232電路進行轉換，在軟件仿真中和實際應用中的電路在設計上會存在細微差別，但通訊流程是不變的，故在Proteus軟件仿真中可對RS232轉RS485電路設計如圖4所示。

2.2 從機中RS485接口電路設計

在下位機系統中，與上位機進行RS485總線通訊時，必須設計自身的 RS485接口電路才能夠與上位機的 RS232轉RS485電路接口進行匹配才行，否則無法進行通訊。本文在Proteus中設計的從機的RS485接口芯片也是MAX487，其接口電路如圖5所示。

圖5 Proteus中從機RS485接口電路

在圖5中，芯片的6、7腳與上位機的MAX487芯片的6、7腳一一對應連接，兩連線之間的電阻為其阻抗匹配，芯片RO、RE、DE、DI引腳輸出的TTL電平，故可直接與下位機MCU的IO口直接相連，在實際應用中，可在其與MCU的 IO之間加入光耦進行電氣隔離，對輸入、輸出電信號其隔離作用，使設計的電路具有良好的抗干擾能力、抑制共模干擾等優點。

2.3 從機主要功能

本文數碼管顯示為例來說明RS485總線通訊的整個工作流程，數碼管顯示應在從機系統中，用來反映上位機發送來的數據，即顯示上位機來控制該從設備的數碼管顯示的數字，如果顯示不是上位機想要顯示的數據或者無顯示，則說明本次基于RS485總線網絡的通訊是不成功的，基于此，本文在Proteus中設計的從機數碼管顯示電路如圖6所示。

圖6 從機數碼顯示電路

在圖6中，采用了一位數碼管進行顯示，單片機選用的是 AT89C51,圖中有按鍵復位電路、晶振電路，單片機的 P1口用來設置此從機的地址，即通過檢測P1.0～P1.7這8個I/O口的高低電平來確定本從機地址，并且是唯一的，必須與其他從機地址不同，這是非常重要的，假如有相同的從機地址出現，那么上位機就不知道該與誰進行通信，繼而造成通信錯誤，致使本次通訊不成功。MAX487的通信端直接由單片機進行控制，其依據的是制定的RS485的通訊協議。

2.4 主機功能電路設計

前面提到的主機即為上位機 PC端，其除了物理串口RS232 DB9外，對下位機的控制操作區需用上位機軟件來實現，本文在設計上位機的同時，也在Proteus中設計了主機電路，與上位機相呼應，給以更加直觀的了解主從機之間是如何進行的控制通訊的，設計的主機功能電路如圖 7所示。

圖7 主機功能電路

在圖7中，通過2個按鍵ST0、ST1電路來設置從機地址，4X4按鍵用來選擇數碼管需要顯示的段碼，P0口連接的數碼管從機顯示的數字進行反饋。

3 軟件設計

3.1 RS485通訊協議的制定

根據RS485通信芯片的接口特點可知，其傳輸方式是異步串行、半雙工的方式，即同一時刻主機與從機之間只能是一個發送數據，另外一個接收數據，數據在通信過程中以報文的形式，一幀一幀地發送，主從機之間形成點對點通信。每個報文的幀長根據自己定義的數據格式而定，其字符類型可為ASCII碼或16進制數，工業上對RS485總線的通信協議幀的制定，分為主機命令幀和從機響應幀兩部分，如下表 1和表2。

表1 主機命令幀

表2 從機響應幀

針對本文設計RS485總線通信的數碼管顯示，可對上面的幀格式進行簡化，制定如下：采用十六進制字符，幀頭為“AAH”，緊跟后面的是地址幀，如“00H”則代表1號從機，“01H”代表2號從機，依次類推，地址幀后面緊跟著是數據幀，即從機中數碼管需要顯示的信息內容，接著就是幀尾，設計幀尾的字符為“0DH”。故本設計的數據幀為“AAH”+地址幀+數據幀+“0DH”；從機的響應幀也為此幀，對接收到幀里每個字節進行解析，符合匹配則進行下一個字節的解析，直到接收到幀尾，解析后作出應答，則本次總線網絡通信傳輸結束。

3.2 上位機軟件設計

上位機為PC，用戶只能通過相應的軟件來對下位機進行控制，本文選用VB上位機軟件來制作上位機通訊界面，繼而完成對下位機的總線網絡通訊。設計的上位機界面如下圖 8所示。

圖8 上位機界面

在圖8中，通過相應的控件來設置數據的收發，該軟件中里的通訊控件為MSCommon控件，在Proteus仿真中該控件的串口為虛擬串口，借助虛擬串口軟件，在Proteus里設置相應的配對虛擬串口來完成通訊，其控件的OnComm事件程序如下：

3.3 主從機控制流程

在Proteus中設計了主機和從機部分，其中的主機主要用來反映上位機控制思路。主機中采用查詢方式，從機采用中斷方式編程，本文設計的主機主程序流程圖和從機主程序流程圖分別如圖9所示和如10所示。

圖9 主機主程序流程圖

圖10 從機主程序流程圖

4 Proteus仿真

整個系統的原理圖、VB上位機運行效果以及Proteus仿真效果如圖11所示。從圖11中可知上位機發送控制數據幀，其命令為AA+03+36+0D，經過虛擬串口，再經過RS232轉RS485電路到從機，從機對接收到的數據幀進行解析，同時圖中的主機也對數據信息進行實時反饋，在Proteus中良好地完成了基于RS485總線網絡的通訊。

圖11 Proteus仿真效果

5 結論

本系統通過結合RS485總線網絡通信、

下位機數碼管顯示系統，較好地闡述了RS485總線的使用，并借助Proteus仿真軟件來完成基于RS485總線網絡主從機之間通訊流程，良好地切合現代工業控制上使用的RS485網絡總線通訊模式。同時本文的設計對大學本科相關專業教學了解工業控制上總線通訊的知識，具有良好地參考價值。

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