1 前言
在許多巡檢系統(tǒng)工程應(yīng)用中，往往需要計(jì)算機(jī)與多個單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多機(jī)雙向通信。在計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)是下位機(jī)的情況下，目前通用的方法是采用RS-485協(xié)議，要求芯片通常都具有抗靜電干擾、節(jié)點(diǎn)多、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。然而，在筆者設(shè)計(jì)的幾個系統(tǒng)中所使用的多種類型的RS-485、RS-422協(xié)議的芯片卻都無一例外的特別容易損壞，輕則封裝表面出現(xiàn)局部燒黑，重則爆裂，以致于整個系統(tǒng)癱瘓。在鄭州車輛段脫軌器微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時用1臺計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，23個股道的單片機(jī)（89C51）作為下位機(jī)。系統(tǒng)卻在空凋開關(guān)、日光燈短路等現(xiàn)象出現(xiàn)時造成芯片不同程序的損壞，幾乎每個月都要更換通信芯片20余片，設(shè)計(jì)者采取了多種保護(hù)措施，依然沒有解決問題。并且，離上位機(jī)距離最近的幾個總是最選損壞。
1999年初，新鄉(xiāng)三瑞電子技術(shù)有限公司精心研制了一種高可靠性、遠(yuǎn)距離、多機(jī)、分時雙工串行通信芯片SR331" title="SR331">SR331，并由中國臺灣加工生產(chǎn)。該器件的最大特點(diǎn)是可能、穩(wěn)定。SR331利用20mA電流環(huán)" title="電流環(huán)">電流環(huán)、光電隔離、多機(jī)通信" title="多機(jī)通信">多機(jī)通信原理有效地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電磁環(huán)境下的多機(jī)通信，在通信距離為1000m時，通信速率達(dá)9600bps，而其下位機(jī)沒有數(shù)量限制。
2 SR331芯片介紹
SR331是遠(yuǎn)距離通信芯片，其主要特點(diǎn)是：可靠性高（這正是研制SR331的初衷）和對下位機(jī)數(shù)量沒有限制。
SR331采用的電源電壓為5±0.5V；并采用TTL電平，它的RxD和TxD直接與單片機(jī)（如AT89C51）連接；其MTBF大于100萬小時；工作溫度范圍為-30～+70℃。SR331采用8腳DIP封裝，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能定義如下：
1腳：T+，發(fā)送正端；
2腳：T-，發(fā)送負(fù)端；
3腳：RxD，接收端，接本地CPU的RxD；
4腳：GND，接地，通常接本地CPU的地；
5腳：R-，接收負(fù)端；
6腳：R+，接收正端；
7腳：TxD，發(fā)送端，接本地CPU的RxD；
8腳：Vcc，+5V的電源端，接本地CPU的Vcc。
3 點(diǎn)對點(diǎn)串行雙工通信
利用20mA電流環(huán)、光電隔離實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)通信的原理在其它文獻(xiàn)[1]中介紹較多，這里不再敘述。
采用SR331實(shí)現(xiàn)1臺計(jì)算機(jī)與1個下位機(jī)串地通信的原理圖如圖2所示，計(jì)算機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)串行口COM1，單片機(jī)選用89C51。
MAX232用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行口COM1所輸出的RS-232信號電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)串行口X1-TxD腳的常態(tài)為-12V，D1的9腳輸出低電平（0V）到SR331的D2的TxD腳，此時，環(huán)路A[(8V)→（R1）→（RP1）→（D3的R+腳）→（D3的R-腳）→（D2的T+腳）→（D2的T-腳）→GND（上位機(jī)端）]無電流通過，D3的RxD腳輸出高電平（+5V）送給單片機(jī)90C51；而當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送信息的起始位時，X1的TxD腳輸出為+12V，D1的9腳輸出高電平（+5V）到SR331的D2的TxD腳，此時，環(huán)路A有20mA的電流通過，D3的RxD腳輸出低電平（0V），從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)到下位機(jī)的通信。
當(dāng)單片機(jī)89C51KD4中TxD腳的常態(tài)為高電平+5V時，環(huán)路B[8V]→(R2) →(RP2) →(D2的R+腳) →（D2的R-腳）→（D3的T+腳）→（D3的T-腳）→GND（上位機(jī)端）無電流通過，此時D2的RxD腳輸出的高電平（+5V）經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換為-12V送給計(jì)算機(jī)；在單片機(jī)發(fā)送信息的起始位時，D4的TxD腳輸出為低電平0V，環(huán)路B中有20mA電流通過，D2的RxD腳輸出低電平（0V）并經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換為+12V送給計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)下位機(jī)到上位機(jī)的通信。根據(jù)通信距離的遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)RP1和RP2可以使環(huán)路A和環(huán)路B中的電流為20mA。
4 多機(jī)主從式分時雙工串行通信
計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信除點(diǎn)對點(diǎn)的通信以外，在許多現(xiàn)場控制中，還會出現(xiàn)一機(jī)對多機(jī)或多機(jī)間的通信。下面介紹以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，多個單片機(jī)（89C51）作為下位機(jī)的串行通信設(shè)計(jì)方式。該設(shè)計(jì)要求下位機(jī)要服從上位機(jī)的調(diào)度和支配，即單片機(jī)的通信方式要使用串行口通信方式2，也就是利用第9位。通信各方約定如下：
上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送地址信息時，其第9位必須為1，當(dāng)向下位機(jī)發(fā)送命令時，其第9位必須為0。
圖3所示為上位機(jī)與多個下位機(jī)進(jìn)行分時雙工串行通信的電路原理圖。當(dāng)上位機(jī)通過SR331向下位機(jī)發(fā)送地址、命令時，每個下位機(jī)通過SR331都能收以。在下位機(jī)處于監(jiān)聽狀態(tài)時，置SM2=1。當(dāng)確認(rèn)是本下位機(jī)地址時，置SM2=0，以準(zhǔn)備接收命令。然后向上位機(jī)回送信息。每個下位機(jī)均可單獨(dú)向上位機(jī)發(fā)送信息。平樣就實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與多個下位機(jī)的分時通信。
5 結(jié)束語
為了解決多機(jī)遠(yuǎn)距離通信的可靠性問題，新鄉(xiāng)三瑞電子技術(shù)有發(fā)公司才下決心研制SR331，可喜的是：SR331具有出人意料的高可靠性，并且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，無須中繼，同時對下位機(jī)的數(shù)量沒有限制（太多時，在電阻R1前使用較高電壓即可）。雖然，為了提高可靠性犧牲了部分通信速率，但9600bps對于一般巡檢系統(tǒng)已經(jīng)足夠。目前，SR331已經(jīng)成功應(yīng)用于鄭州車輛段脫軌器微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（具有29個下位機(jī)）、新鄉(xiāng)車輛段脫軌器微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（具有12個下位機(jī)）、新鄉(xiāng)車輛段列車試風(fēng)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（具有4個下位機(jī)）、洛陽車輛段脫軌器微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（具有12個下位機(jī)）、洛陽車輛段空氣壓縮機(jī)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（具有4個下位機(jī)）等系統(tǒng)中?，F(xiàn)在，投入實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的300多片在連續(xù)工作500天后無一損壞。由此可見，SR331具有極高的可靠性。