多通道I/O裝置的設計與實現

【摘 要】由于目前市場上普遍使用的多I/O裝置端口數量有限，且端口模式固定，這與功能越來越強大的工業控制系統相矛盾。本文主要針對工業控制領域低成本、高可靠性、高穩定性的要求，設計了一套基于STC12C5A60S2單片機的主從式多通道I/O裝置。該裝置由主板和分板組成，主板負責把分板傳來的信息送給上位機，同時將上位機發來的指令傳給分板。分板只負責接收I/O端口信息，并將這些信息傳給主板，上位機不直接與分板通信。I/O端口的數量可以根據實際需要進行擴展，I/O端口模式通過程序可以任意設定。

【關鍵詞】多通道 I/O端口 主板 分板

隨著現代化工業的發展進步，工業控制系統的功能越來越強大，連接的外設也越來越多。這些外設通過I/O裝置與計算機之間連接，計算機通過發送指令給I/O裝置來完成對其他設備的控制，I/O裝置起到橋梁的作用。因此要求I/O裝置的端口數量應盡量多、輸入輸出端口能靈活配置、有較強的抗干擾能力、有標準的通信接口、性價比高。

1 多I/O裝置的現狀

目前市場上普遍采用多I/O卡或多I/0模塊。

它們具有體積小巧、攜帶方便、工作溫度范圍寬、功耗低等優點，但也有不容忽視的缺點：

（1）端口數量不多，大部分產品為8、16、32個端口。若工業控制現場需要更多的I/O口，則只能通過組網來控制，這將使控制系統的結構復雜，同時也會使系統的不穩定性增加。（2）I/O端口模式固定，不能靈活配置。（3）價格昂貴，性價比不高。

為了解決上述問題，設計了一款端口數量能擴展、且輸入輸出端口能靈活配置的多通道I/O裝置。它包括主板和分板，通過程序進行控制。

2 多通道I/O裝置的硬件設計

考慮到STC12C5A60S2單片機自身的眾多優點，該裝置采用它作為主控芯片。但由于它只有40個I/O，如果端口數量成百上千的話，一片單片機顯而易見滿足不了。若采用多個單片機分開單獨控制，則每個單片機都要與上位機通信，這樣通信效率太低，而且結構復雜，基于以上原因我們選擇了一種主從式的結構設計方案，如圖1所示（以176個端口數量為例進行說明）。

圖1 多通道I/O裝置結構圖

該結構由1塊主板和11塊分板構成，主板負責與上位機、分板通信，分板負責接收I/O端口信息，再將信息發送給主板。由于上位機只需與主板單獨通信，而無需理會分板，通信效率得到很大提升。

2.1 主板

主板主要包括RS485通信電路、E2PROM擴展電路和地址選擇電路，主板主要起到一個通信的作用。

2.2 分板

分板主要包括I/O模塊電路、DA輸出電路、分板地址選擇電路、通信隔離保護電路。每一個多路I/O裝置包括11個分板，每一個分板電路都是一樣的，通過分板地址選擇電路來設定分板的地址。

3 多通道I/O裝置的軟件設計

多通道I/O裝置的軟件設計以Keil C51為軟件開發平臺，分為主板程序和分板程序。主板程序主要完成和上位機、分板的通信。分板程序完成I/O口的輸入和輸出模式選擇以及和主板的通信。

3.1 主板程序設計

主板程序主要完成和上位機、分板的通信以及對分板的每個I/O口功能進行配置。主要包括主板主程序設計、I/O口配置程序設計、主板串口初始化程序、主板串口發送數據程序、主板接受分板數據程序等。

3.1.1 主板主程序設計

多通道I/O裝置的主板主程序主要是完成通信功能，包括和上位機、分板通信。主板上電后初始化串口1和串口2，然后清空接受數據緩沖區，接著發送分板I/O口模式配置信息，最后接受和解析上位機發送來的指令。

3.1.2 I/O口配置程序設計

通過主板程序可以配置每個I/O口為輸入或輸出端口，當作為輸入端口時可以作為開關按鍵和計數按鍵。配置表信息以一個二維數組的形式在主程序中建立。具體代碼如下：

uchar code Tab[11][33]={

{0x01，0x03，0x04，0x01，0x02，0x03，0x04，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，

//板1端口模式選擇 0x00，0x00，0x01，0x01，0x02，0x02，0x03，0x03，0x04，0x04，0x05，0x05，0x06，0x06，0x07，0x07}， //板1關聯通道選擇

{0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x01，0x02，0x03，0x04，0x03，0x04，0x01，0x02，0x01，0x02，

//板2端口模式選擇 0x00，0x00，0x01，0x01，0x02，0x02，0x03，0x03，0x04，0x04，0x05，0x05，0x06，0x06，0x07，0x07}

//板2關聯通道選擇

……

{0x0b，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，

//板11端口模式選擇 0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00}}； //板11關聯通道選擇

端口模式選擇表示定義每一個端口的功能，功能碼與其對應的功能如表1所示。

表1 配置表功能碼對應的功能

功能碼 對應的功能

0x00 默認輸出

0x01 輸入（開）

0x02 輸入（關）

0x03 輸入（計數加）

0x04 輸入（計數減）

3.1.3 主板串口初始化程序

由于主板既要與上位機通信，又要與分板通信，所以它有兩個串口，串口1與分板通信，串口2與上位機通信。每個串行口可以同時發送和接受數據。由于它們通信時不會發生數據沖突，可以共用一個地址碼。

3.2 分板程序設計

分板負責采集各個I/O端口的信息，并將采集的信息發送給主板，同時完成主板發送的命令。每個分板的程序都是完全相同的，通過撥碼開關設定每個分板的地址。

分板程序主要包括分板I/O口模式選擇程序、分板PWM程序設計、與主板通信程序等。

（1）分板I/O口模式選擇程序。分板根據主板發來的I/O配置信息后確定每個I/O口模式，包括開關量輸入模式、按鍵計數輸入模式和輸出模式。（2）分板PWM程序設計。每個分板帶有一個DA通道，采用STC12C5A60S2單片機的兩路PWM實現DA輸出。（3）與主板通信程序。分板通過主板接收來自上位機的數據，每塊板根據自己的地址，獲取自己板的I/O配置命令，同時分板將I/O的信息發送給主板，由主板傳給上位機。具體程序如下：

void RX1_Process（）{ uint i； uint R_addr； R_addr=Config_addr（）； if（RX1_Over==1）

{ if（k==363） { if（RX1_Buffer[R_addr]==slave）

{ for（i=R_addr+1；i

{ RX_flag=1； k=0； //led=！led； } else { RX1_CL0（）； } } else if（k==1）

{ Master_ask_flag=1； //k=0； } else { RX1_CL0（）； } RX1_Over=0； }}

4 系統調試

將研制的主板、分板通過RS485線與PC機相連，下載程序，用串口調試助手運行測試。經測試證明該裝置能通過程序任意配置各端口為輸入或輸出模式，滿足設計需求。

參考文獻：

[1]陳鐵軍，謝春萍.PC機與RS485總線多機串行通信的軟硬件設計.現代電子技術，2007.

[2]李巖.工業控制現場總線技術.技術與市場，2011.

[3]李陽春.自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用.中國科技投資，2013.

作者簡介：段春艷（1979—）湖南郴州人，女，漢族，碩士，湖南交通職業技術學院，研究方向：電子技術.