基于W77E58單片機(jī)和68HC908MR16芯片實(shí)現(xiàn)串行通信監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

Winbond公司的新型單片機(jī)W77E58，內(nèi)含2個(gè)增強(qiáng)型串口和32KB大容量 Flash存儲(chǔ)器。指令集與51系列單片機(jī)完全兼容，非常適合在智能化監(jiān)控系統(tǒng)中使用。本系統(tǒng)將3臺(tái)單相逆變器聯(lián)接成令牌網(wǎng)，采用標(biāo)準(zhǔn)RS485接口與逆變系統(tǒng)及上位機(jī)同時(shí)進(jìn)行串行通信，能夠?qū)崟r(shí)地在液晶屏或上位機(jī)上顯示逆變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并可以方便地對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1所示為W77E58監(jiān)控系統(tǒng)單機(jī)雙串口通信的硬件框圖。該電路符合最簡(jiǎn)單的RS485總線接口標(biāo)準(zhǔn)。其中逆變系統(tǒng)采用Motorola公司的電機(jī)控制專用芯片68HC908MR16（以下簡(jiǎn)稱MR16）作為主控芯片。該芯片內(nèi)含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的可編程串行通信接口SCI模塊，通過(guò)RS485接口芯片MAX3082與W77E58的串行口0進(jìn)行通信。同時(shí)，W77E58串行口1通過(guò)MAX3082傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一個(gè)RS485到RS232的電平轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)進(jìn)行通信。通信電路都采用了光耦隔離。

圖1 W77E58監(jiān)控系統(tǒng)單機(jī)雙串口通信硬件框圖

圖1中使用Maxim公司的MAX3082作為RS485接口芯片，適用于半雙工通信。它采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收，具有抑制共模干擾的能力，可用于惡劣環(huán)境中，最大通信距離達(dá)1200m。它具有發(fā)送使能和接收使能控制。當(dāng)使能無(wú)效時(shí)，發(fā)送和接收的輸出端呈高阻狀態(tài)。使用MAX3082構(gòu)成通信系統(tǒng)時(shí)，最大通信速率為0.125Mb/s，傳輸線上最多可掛128個(gè)收發(fā)器。

本系統(tǒng)采用非編碼鍵盤(pán)，擬用四個(gè)鍵：OK鍵、CANCEL鍵、UP鍵、DOWN鍵。采用一鍵復(fù)用技術(shù)使這四個(gè)鍵完成系統(tǒng)設(shè)定、參數(shù)修改、運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。

這里使用的液晶顯示器LCD為CAG1264-4點(diǎn)陣式液晶。該液晶內(nèi)帶亮度可調(diào)的背光源，輕盈超薄、編程靈活，整屏可以顯示8×4個(gè)國(guó)標(biāo)漢字或16×4個(gè)ASCII碼。硬件接口采用8位并行數(shù)據(jù)格式，握手協(xié)議簡(jiǎn)單可靠。

由于工業(yè)上常用到三相交流電，所以本系統(tǒng)還具有將三臺(tái)單相逆變器經(jīng)過(guò)組網(wǎng)，自同步實(shí)現(xiàn)三相交流輸出的功能。如圖2所示，三臺(tái)單相逆變器串行口輸出經(jīng)過(guò)連接，組成一個(gè)簡(jiǎn)單的令牌網(wǎng)，然后通過(guò)RS485到RS232的電平轉(zhuǎn)換器統(tǒng)一由上位機(jī)進(jìn)行管理控制。

圖2 多機(jī)聯(lián)網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 串行口介紹及初始化設(shè)置

本通信系統(tǒng)中，我們規(guī)定，每1幀數(shù)據(jù)為10位：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。波特率均設(shè)置為9600bps。

2.1 W77E58串口

W77E58單片機(jī)其串口增強(qiáng)型特征在于特有的地址自動(dòng)識(shí)別和幀出錯(cuò)診斷功能。需要注意的是，串口0可以使用定時(shí)器T1或定時(shí)器T2作為波特率發(fā)生器;而串口1只能使用定時(shí)器T1作為其波特率發(fā)生器。下面以串口0為例，對(duì)W77E58串口的工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

串口0通過(guò)引腳RXD（串行數(shù)據(jù)接收端）和TXD（串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）進(jìn)行串行通信，可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，具有兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，它們占用同一地址。串行口的發(fā)送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名義進(jìn)行讀或?qū)懙?，發(fā)送數(shù)據(jù)完畢或接收到數(shù)據(jù)都會(huì)由硬件置位發(fā)送中斷標(biāo)志TI或接收中斷標(biāo)志RI。值得注意的是，中斷標(biāo)志TI、RI均需由軟件來(lái)清零。串口1的工作過(guò)程和串口0相類似，只需對(duì)其相應(yīng)的寄存器及標(biāo)志位進(jìn)行類似操作即可。W77E58串行口是可編程接口，對(duì)它初始化編程只需對(duì)特殊功能寄存器SCON或SCON1和電源控制寄存器PCON寫(xiě)入相應(yīng)的控制字即可。這里使用定時(shí)器T2作為串口0的波特率發(fā)送器，使用定時(shí)器T1作為串口1的波特率發(fā)生器。波特率均設(shè)為9600bps。

2.2 MR16串口

MR16帶有的1個(gè)可編程串行通信接口SCI模塊，支持MCU與外設(shè)之間采用全雙工、異步、NRZ（非歸零）格式進(jìn)行串行通信。它具有2個(gè)I/O引腳RXD和TXD;有2個(gè)物理上獨(dú)立的，但占用同一地址的SCI數(shù)據(jù)寄存器SCDR。SCI模塊為接收器和發(fā)送器提供獨(dú)立的中斷請(qǐng)求和中斷向量。如果SCRIE位被置位，當(dāng)SCI接收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)傳送到SCDR，就會(huì)置位SCRF標(biāo)志并啟動(dòng)一個(gè)接收中斷;如果 SCTIE位被置位，并將數(shù)據(jù)由SCDR傳送至發(fā)送移位寄存器時(shí)，就會(huì)置位標(biāo)志SCTE產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送中斷。在讀取SCDR中的數(shù)據(jù)或?qū)懭隨CDR新的數(shù)據(jù)后，SCRF和SCTE會(huì)被自動(dòng)清零，無(wú)需軟件操作。SCI模塊具有一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，可產(chǎn)生32種不同的波特率，只需對(duì)波特率寄存器SCBR進(jìn)行設(shè)置即可。

2.3 上位機(jī)串口

由于上位機(jī)串口采用的是RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，所以需要1個(gè)RS485與 RS232的電平轉(zhuǎn)換器才能實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信。這里，采用的電平轉(zhuǎn)換器件是牛頓-7520，輸入電壓范圍為10 ~ 30V，允許的頻率范圍為300Hz ~ 115kHz。

3 通信協(xié)議

本系統(tǒng)中MR16與W77E58及上位機(jī)三方都既是發(fā)送方又是接收方，都工作在半雙工模式。MR16和上位機(jī)的發(fā)送和接收均采用查詢方式，W77E58的串口0和串口1發(fā)送均采用查詢方式，接收均采用中斷方式。要想保證通信準(zhǔn)確可靠，通信雙方除規(guī)定好字符格式和波特率外，還要定義好通信協(xié)議。通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，最后確定了MR16和W77E58之間通信以77E58為主。W77E58和上位機(jī)之間通信以上位機(jī)為主的“主從通信法”通信協(xié)議。下面以 W77E58串口0和上位機(jī)為例，將這種通信協(xié)議介紹如下。

◆ W77E58串行口0通信協(xié)議（以W77E58為主機(jī)）

發(fā)送（查詢方式）：

fe+fe+fe+代碼 。..。..請(qǐng)求回發(fā)相應(yīng)代碼的數(shù)據(jù)包

fe+fe+ef+代碼＋高字節(jié)＋低字節(jié)＋校驗(yàn)和 。..。..發(fā)送要修改的數(shù)據(jù)包

接收（中斷方式）：

fe+fe+aa+故障代碼 。..。..接收故障代碼

fe+fe+fe+代碼＋高字節(jié)＋低字節(jié)＋校驗(yàn)和 。..。..接收要顯示的數(shù)據(jù)包

◆ 上位機(jī)通信協(xié)議（以上位機(jī)為主機(jī)）

發(fā)送（查詢方式）：

fe+fe＋站號(hào) 。..。..查詢相應(yīng)站點(diǎn)

fe+fe+fe 。..。..請(qǐng)求回發(fā)要顯示的數(shù)據(jù)包

接收（查詢方式）：

fe+fe＋站號(hào) 。..。..接收回發(fā)校驗(yàn)站號(hào)

fe+fe＋高字節(jié)＋低字節(jié)＋校驗(yàn)和 。..。..接收要顯示的數(shù)據(jù)包

協(xié)議里的斜體為包頭碼，黑體加下劃線為命令碼，站號(hào)即為多機(jī)通信時(shí)用于選擇單相逆變器的令牌，每臺(tái)單相逆變器的站號(hào)均不相同。數(shù)據(jù)包的包頭均是0xfe，0xfe。以 W77E58串口0為例，當(dāng)W77E58使用命令0xfe向MR16請(qǐng)求回發(fā)相應(yīng)代碼的數(shù)據(jù)包后，若接收到命令0xaa，則表明有故障，然后根據(jù)收到的故障代碼進(jìn)行相應(yīng)的故障顯示;若收到命令0xfe，則把收到的參數(shù)值送給液晶顯示器進(jìn)行顯示。

從數(shù)據(jù)包格式可以看出，MR16和 W77E58之間通信以W77E58為主，W77E58和上位機(jī)之間通信以上位機(jī)為主，MR16的發(fā)送和接收都是由W77E58串口0來(lái)控制的，而 W77E58串口1的發(fā)送和接收又都是由上位機(jī)來(lái)控制的，這種主從方式是RS485標(biāo)準(zhǔn)中常采用的模式。這里通過(guò)發(fā)送包頭的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，發(fā)送方每次都必須先發(fā)送包頭，然后再發(fā)送數(shù)據(jù);接收方只有在正確接收包頭后才開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)或發(fā)送的數(shù)據(jù)丟失時(shí)就放棄本次接收，在下個(gè)主循環(huán)重新通信。這樣可以在一次通信出錯(cuò)后自動(dòng)恢復(fù)，同時(shí)避免“死機(jī)”現(xiàn)象的發(fā)生。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

基于對(duì)該監(jiān)控通信系統(tǒng)通用性的考慮，我們采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，將通信程序作為主程序的一個(gè)模塊來(lái)處理。因?yàn)锽CD碼是以數(shù)字“0”到“9” 開(kāi)頭的，而控制命令則以字母“A”到“F”開(kāi)頭，在發(fā)送端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成BCD碼發(fā)送。這樣可區(qū)分這兩類信號(hào)，在接收端分別將它們解碼處理。

這里給出了W77E58串口0查詢發(fā)送程序、中斷接收程序及上位機(jī)的查詢接收程序，程序流程如圖3、4、5所示。MR16通信模塊包括查詢接收程序和查詢發(fā)送程序，程序流程類似于圖3;W77E58串口1通信模塊包括中斷接收程序和查詢發(fā)送程序，程序流程與串口0相類似，這里都不再給出。

圖3 W77E58串口0查詢發(fā)送程序

圖4 W77E58串口0中斷接收程序

圖5 上位機(jī)的查詢接收程序

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