含ＲＳ－２３２接口的Ｉ／Ｏ板卡的開發

晏密英　吳舒辭

隨著計算機控制技術的發展，各專業公司推出了許多種總線型的工業控制卡，其中，大多數都是ISA及PCI并行接口的。雖然，這些I/O控制卡的速度快，實時性也高，但在很多控制系統中不太適用。原因有三個方面，其一是這些卡的操作復雜，靈活性不太好，使用卡的人必須編制相應的驅動程序去控制卡的運行，而且在Windows界面下的編程也很復雜；其二，各種I/O控制卡的價格昂貴；其三，大多數PC提供多種插槽，但那些超薄型計算機，如便攜式電腦和嵌入式電腦并沒有控制卡的空間和擴展槽的位置，故不能用這些電腦實現I/O卡控制。本文介紹一種含RS-232接口的I/O板卡，將計算機串口進行二次開發，用于工業現場控制系統，代替控制卡的作用，并提供相應的驅動程序，具有成本低、操作簡單、兼容性好等優點。

系統功能簡介

本I/O卡主要用于需要采用計算機在工業現場進行控制的場合，主要功能如下：提供11路12位的A/D轉換、4路12位的D/A轉換、16路帶光電隔離的開關量輸出、16路帶光電隔離的開關量輸入及1路16位計數器輸入；提供一個帶光電隔離的RS-232接口，上位機（通常指PC）能通過此端口對本卡上所有的資源進行控制與讀入；另擴展一片8255，其PA、PB口作為輸入端用，PC口作為本控制卡的一些設置，如用它作為波特率等的設置；本卡還可由DS12C887完成日期、時間、星期的設置、調整和輸出。本文主要就系統硬件電路的設計（包括地址譯碼）及軟件設計（通訊協議為主）來對系統的功能進行描述。

硬件電路設計

本控制卡原理框圖如圖1所示。其中，微控制器采用美國ATMEL公司的AT89C51，它內部有4K的程序存貯器，可以為本板卡節省空間，同時擴展一片數據存貯器62256芯片（32K）及X25045（512×8bits）看門狗電路構成基本的單片機系統。考慮到在一般的工業控制系統中，由于對A/D、D/A轉換的速度不太高，所以本卡中的A/D轉換采用TLC2543，它是TI公司生產的帶串行控制的11路12位A/D轉換器件，能對0~5V信號進行12位轉換；D/A轉換器采用TI公司的雙路12位串行接口的D/A轉換芯片TLC5618。為了適合更多的工業控制要求，本控制卡目前使用了兩片TLC5618，共可以輸出4路模擬量。為了提高抗干擾能力，對輸入輸出端口采用TL521-4進行光電隔離。RS-232接口采用MAXIM公司的MAX232芯片作為電平轉換，實現單片機的TTL電平與計算機的RS-232電平的轉換。同時為了提高整個系統的工作穩定性，對RS-232通訊口進行光電隔離。由于系統通訊速度可能要求比較高，所以采用了高速光耦6N137作為隔離元件，同時增加一個DC-DC變換器，產生隔離電源，供隔離后的電路使用（如圖2所示）。在本卡中，P1用于對一些串行接口的芯片進行控制，為了節省口線，對公共的CLK、DI、DO線公用，組成一條串行總線系統，P13、P14、P15、P16分別為各芯片的片選信號。具體接法如圖3所示。

本控制卡由ATF16V8可編程邏輯芯片負責地址譯碼。62256地址為0~7FFFH，其片選信號直接接地址線A15。8255基地址FF00H，其片選信號 CS=A8+A9+A10+A11+A12+A13+A14+A15;2片輸出口擴展74LS377地址分別為FB00H和FC00H，其片選信號為CS1=A15+A14+A13+A12+A11+A10+A9+A8;CS2=A15+A14+A13+A12+A11+A10+A9+A8。

軟件設計

本卡軟件采用C語言設計，串行口的接收采用中斷方式，串口發送采用查詢方式，當收到一個完整的指令后，由中斷程序置一標志，主程序檢測到這一標志后，對收到的指令進行處理，主程序框圖如圖4所示。

為了本控制卡使用方便，我們制定了一套較為完善的通訊協議。協議規定每一條指令或返回數據由以下幾部分組成。

第一字節：為一幀數據的長度，以字節為單位，指第二字節到最后一個字節的字節總數。

第二字節：一個表示數據或指令類型的ASCII碼，“D”表示開關量，“A”表示模擬量，“T”表示計算返回的值。

第三字節：一個表示輸入輸出類型的ASCII碼。“O”表示輸出，“I”表示輸入。

最后字節：表示除第一字節和最后一字節外的校驗和，取低8位。

中間的其余字節為數據內容，表示模擬量時為模擬量的二進制值，表示開關量時為開關量的狀態。在通訊時，接收方如正確接收則返回1AH，否則返回1CH，請求重發。具體的指令設置包括有以下幾種情況：

讀開關量狀態 格式：字節數 “D”“I”；響應：字節數 “D” “I” “FFFF”，其中，FFFF為2個字節，分別對應16路開關量的狀態，為“1”時表示有電壓輸入。

寫開關量狀態格式：字節數“D”“O”“N”“M”；響應：無；N（00H~0FH）表示通道號；M表示狀態，0表示無輸出；當N=FF時，表示對所有通道進行操作，此時M為16位（兩字節）。

讀A/D格式：字節長“A” “I” “N”；響應：字節長 “A” “I” “N” “FFFF”；N為A/D通道號；FFFF為雙字節，是A/D轉換的結果，高4位在前，低8位在后。

寫D/A 格式：字節長 “D” “I” “N” “FFFF”；響應：無；FFFF為雙字節，是D/A轉換的結果，高4位在前，低8位在后。

讀計數器格式：字節長 “T” “I”；響應：字節長 “T” “I” “FFFF”；FFFF為計數結果。

啟動計數功能格式：字節長 “T” “S”；響應：無，在此協議的基礎上，我們還可以設置一些其它指令，但需要在控制卡運行相應的程序。

應用

本控制卡價格低廉，使用方便，無需打開計算機裝卡。這樣，在工業控制現場，用一臺筆記本電腦就可以很方便地調試系統，且可以利用許多現成的串口通訊控件，如VB中的MSCOMM控件，VC中的Microsoft Communication Control這一Active類控件來很方便地編寫應用程序。