基于單片機的開關量輸入輸出系統設計

王正宇

【摘要】論文以STM32單片機為開關量輸入輸出系統設計的核心，設計了一種采用工業以太網通信和RS485通信接口技術的多路開關量控制主機板，以太網芯片采用WIZnet公司生產的W5500芯片，主從機通過485進行數據交互，主機起到了上位機與各個從機數據交互的橋梁作用：上位機與主機通過工業以太網的形式進行數據交互，主機與各個從機的數據交互通過RS485通信方式實現。上位機能夠顯示從機采集到的輸入信號，分配相應的開關量輸出信號給各個從機。

【關鍵詞】單片機;開關量;數據采集;上位機

【中圖分類號】G644.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】2026-5328（2022）04--02

1? 引言

多路開關量輸入輸出系統以總線通信方式提供來自工業現場的真實可靠數據，這樣不僅可以提高設備的安全運行水平，也能提高維護人員的工作效率，降低生產成本。論文設計的開關量輸入輸出系統具有網絡化、系統化和開放式等特點。針對開關量控制問題，該系統在工業領域具有良好的應用前景。

2? 開關量輸入輸出系統的硬件設計

2.1? 系統總體方案

在系統設計中，上位機與主機通過工業以太網的形式進行數據交互，主機與各個從機的數據交互通過RS485通信方式實現，上位機需要顯示出從機采集到的輸入信號，并分配相應的開關量輸出信號給各個從機。系統整體設計方案如圖1所示。

2.2? ?系統硬件模塊設計

本次設計以STM32單片機為開關量輸入輸出系統的設計核心，系統的硬件架構如圖2所示[1，2]。

電源模塊供電電壓為3.3V，但是市場上某些電池的電壓不能夠滿足系統所需供電要求，故考慮選擇XL2596降壓型直流電源變換器芯片，設計降壓穩壓電路給整個電路提供合適的電壓。XL25963A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路由基準穩壓器（1.23V）、固定頻率振蕩器（150KHz）以及有效的保護電路等組成，保護電路中設有限流、熱關斷電路等。電源電路的設計如圖3所示。

485電路采用MAX485芯片作為RS485通信電路的低功率收發器，主要構成只有兩部分：一個驅動器和一個收發器。目前，網絡接口電路以傳輸差分信號傳輸為主。依靠隔離變壓器隔離電壓，來配合外部網絡與物理網卡直接的連接。這樣做的好處有：可以消除可能在網絡線上存在的共模信號，也能夠大大提升網絡上數據傳輸的安全性，也確保了網卡不會被損壞，即使外部網絡產生了線路不能承受的電壓，可以通過網絡變壓器將開關量輸入輸出信號連接到網絡接口，大部分網絡接口都是RJ45，考慮到輸入輸出信號采集的準確性，使用自帶網絡濾波功能的HY951180A[3，4]。具體網絡接口電路如下圖4所示：

3? 系統的軟件設計

本設計主要采用以STM32系列單片機為核心的主機板，通過W5500和RS485接口進行通信，完成現場從機與主機，主機與上位機的數據采集。上位機采用工業以太網的形式和主機進行數據交互。主機作為“中間商”，能夠讓上位機與現場的各個從機進行數據交互，上位機得到現場從機的輸入信號通過主機轉換為輸出信號。通過VS設計的上位機界面能夠更好的實現該功能。圖5為程序整體運行框圖。

3.1? 上位機界面設計

上位機界面的軟件開發平臺是VS 2008，設計了一個簡易的操作界面，包括連接端口、設備IP地址、端口號連接狀態和數據操作。連接狀態用來判斷系統是否正常連接，因為初步設計為八路開關量，所以數據操作部分輸入輸出的值域0-255，即輸入輸出讀取的值得范圍。上位機界面I/O數據采集如圖6所示：

3.2? 主機與從機的數據通信設計

主機初始化485：主機發出控制信號給第一個從機，從機1初始化485，并通過485發出從機1的設備類型0x181（假設從機1為輸入模塊，設備類型為0x181）到485總線上，主機接收到第一個從機的設備類型信號后，給第一個從機分配從機地址0x141，即主機通過485發出0x141的數據到485總線上，因為這時從機中只有從機1初始化了485，所以只有從機1可以接收到0x141的信息，從機1接收到該信息并保存下來，并把0x141當作自己的地址信息。后面主機發送信息都是“地址+命令”的格式發送，從機1在后面接收信息時需要先判斷地址信息是不是0x141，如果是則從機1正常執行后面的命令，如果不是則不執行該命令，到此從機1的初始化完成;從機1發送控制輸出信號給第二個從機，直到全部從機分配地址完成[5]。

從機地址設置好后，主機給從機1發送讀取從機輸入狀態的命令即“地址+讀取命令”，從機1接收到命令后把自己的輸入狀態反饋給主機，信息格式為“自己的地址+IO狀態信息”，主機接到該信息后把從機1的狀態信息放到一個數據緩沖區，供上位機讀取;主機再給從機2發送命令“地址+輸出命令”，從機2接到該信息后立刻反饋自己的狀態格式為“自己的地址+從機狀態”，然后再去執行主機發送來的輸出命令。主機與從機數據交互過程如圖7所示：

3.3? 主機與上位機的數據通信設計

上位機和主機過MODBUS/TCP協議進行數據通信MODBUS/TCP協議具體運行過程如下：用戶客戶端先發出所需要執行命令，請求服務器發送數據傳輸，服務器端口接到了來自客戶端的請求命令，MODBUS服務器端開始響應來自MODBUS客戶端發來的指令，準備施行數據的傳輸，最后客戶端確認收到來自MODBUS服務器端的數據。

4? 總結

論文所設計的開關量輸入輸出系統以單片機核心，加上通信模塊和外圍電路形成了一個有機的整體。調試結果證明該系統實現了預期的各項功能，能夠在工業現場投入使用，且運行較為可靠，尤其在工控行業具有一定的應用前景。

參考文獻：

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