利用STC11F02E的RS232/RS485轉換器設計方案

為了便于對分布式的各個現場測控設備實現集中控制，現場總線技術得到了廣泛的應用。RS485總線因其硬件設計和通信協議簡單、控制方便、成本低廉、傳輸距離遠以及可掛接多個從設備等優點而成為目前國內應用較多的現場總線之一。

目前大多數的分布式現場總線通信系統通常都使用PC機（或工控機）作為主機對各個現場設備進行集中控制和數據傳輸。PC機只有標準的RS232接口，而RS232總線和RS485總線的接口電平不兼容，要實現PC機和RS485總線構成的通信網絡的連接就必須進行RS232和RS485之間的電平轉換。因此，進行RS232/RS485轉換器的設計就顯得很有必要。

采用單片機進行RS232/RS485轉換器的設計是比較常用的一種方法。傳統的基于單片機設計的RS232/RS485轉換器存在著以下不足之處：

（1）采用的單片機和外圍器件個數較多，給設計帶來不便，也不利于降低成本，減小體積；

（2）設置不靈活，不能改變波特率和通信方式，或者更改參數不方便，使通用性受限。

鑒于以上不足，本文采用宏晶科技公司生產的增強型51單片機STC11F02E為核心設計了一款RS232/RS485轉換器來彌補這些缺陷，降低了成本，減小了體積，同時能夠方便地進行波特率和通信方式的設置，增強了其通用性；而且單片機的可編程方式也方便了轉換器的功能擴展，靈活性大大增強。

轉換器的總體結構概述

轉換器主要由三部分組成，分別為：RS232電平轉TTL電平模塊、RS485電平轉TTL電平模塊和單片機主控制模塊。轉換器的總體結構框圖如圖1所示。



圖1 轉換器總體結構框圖

RS232電平轉TTL電平模塊用來實現RS232總線和單片機之間的連接，RS485電平轉TTL電平模塊用來實現RS485總線和單片機之間的連接，而單片機主控制模塊起到一個過渡連接的作用，用于協調和控制RS232總線和RS485總線之間的數據傳輸。

下面詳細闡述這3個模塊的具體硬件電路設計。

轉換器的硬件電路設計

RS232電平轉TTL電平模塊的電路設計

這里采用Maxim公司生產的MAX232電平轉換芯片設計RS232和單片機的電平轉換接口電路。

MAX232芯片只需用5V的單電源供電，外加4個電容，就可實現RS232電平和TTL電平之間的轉換，可直接驅動RS232總線進行數據傳輸，使用十分方便。采用該芯片可以很容易地實現單片機和RS232總線之間的連接，其最高傳輸速率可達120kbps。

該模塊的具體電路設計圖如圖2所示。


圖2 RS232電平轉TTL電平電路

RS485電平轉TTL電平模塊的電路設計

該模塊的電路采用Maxim公司生產的RS485接口芯片MAX483E進行設計。

MAX483E芯片是一款用于RS485和RS422通信的低功耗總線收發器，具有±15kV靜電放電沖擊保護和限擺率驅動特性，減小了電磁干擾和終端電纜反射，允許高達250kbps速率的無差錯數據傳輸。該芯片只需用5V的單電源電壓供電即可正常工作，而且在一條總線上最多可以連接32個負載。利用該芯片可以極大地簡化單片機和RS485總線的接口電路設計。

該模塊的具體電路設計圖如圖3所示。


圖3 RS485電平轉TTL電平電路

單片機主控制模塊的電路設計

該模塊是轉換器的核心模塊，轉換器的主要功能就是通過該模塊來實現的。整個電路設計也非常簡單，只需一片增強型的51單片機STC11F02E外加一些基本的外圍電路（包括外部晶體振蕩器電路和復位電路）即可完成設計。

STC11F02E單片機為增強型的8051內核，具有2KB的片內Flash程序存儲器、2KB的EEPROM存儲器和256KB的片內SRAM數據存儲器。這款單片機的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發器）模塊的最大特點就是通過配置特殊功能寄存器AUXR1中的第7位UART_P1的狀態可以使UART模塊的兩個引腳（RXD、TXD）接到P3端口的P3.0、P3.1引腳，或者接到P1端口的P1.6、P1.7引腳，從而可以充當兩個串口使用。這里主要利用該功能來設計RS232/RS485轉換器。

整個轉換器的總體硬件電路圖如圖4所示。


圖4 轉換器總體硬件電路圖

轉換器的工作原理

轉換器硬件電路的工作原理是先將PC機串口輸出的RS232總線信號電平通過電平轉換芯片MAX232轉換成STC11F02E可以接收的TTL電平信號，由該單片機接收PC發送過來的數據。STC11F02E接收完傳來的全部數據后將串口引腳從P3.0和P3.1切換至P1.6和P1.7引腳，再把接收到的數據通過RS485收發器MAX483E發送到RS485總線上。從機應答后將相應的數據傳至RS485總線上，再通過RS485收發器轉成TTL電平后由單片機STC11F02E接收。STC11F02E接收完從機傳來的全部數據后將串口引腳重新切換至P3.0和P3.1引腳，再通過MAX232電平轉換芯片傳送到PC機的RS232串口上去，使PC機接收從機傳來的數據。整個數據傳輸過程就這樣反復地進行。

一般的RS485總線的多機通信方式是半雙工方式，也就是發送和接收不是同時進行的，某一個終端設備在某一時刻只能是發送狀態或者是接收狀態，所以采用這種方法來設計RS232/RS485轉換器是合理的。這里的關鍵問題是如何協調好P3.0、P3.1和P1.6、P1.7這兩組串口引腳之間的切換，這可以通過單片機的程序設計來實現。

轉換器的程序設計和通信協議設計

轉換器的程序設計流程

轉換器的整個程序的總體流程圖如圖5所示，主要包括程序初始化模塊、主程序模塊和串行口中斷服務模塊這三個部分。



圖5 轉換器程序流程圖

程序初始化模塊主要完成一些寄存器的初始化工作，包括看門狗設置、設定主機數據接收結束標志位MDE和從機數據接收結束標志位SDE、初始化串行口的連接引腳、初始化串行口設置寄存器和通信波特率、開啟串口中斷和總中斷。主程序模塊主要任務是完成串行口連接引腳之間的有序切換以及數據的發送。串行口中斷服務模塊的功能是完成數據的接收并置位標志位MDE和SDE。

由于每次通信結束之后單片機的UART模塊的引腳總是和主機相連的，所以每次通信都必須是由主機發起的，從機總是處于接收狀態，只有主機尋址到從機時，從機才可向主機發送數據。

RS485總線通信協議設計

為了保證數據傳輸的可靠性，必須規定好RS485總線主從式通信的通信協議。

該轉換器采用的通信協議在傳送每個字節數據時共發送的數據位有10位和11位兩種，具體采用哪種通信方式可以人為進行設置。通信數據以信息幀的格式發送信息，每一信息幀由多個字節數據構成，包含地址域、功能域、數據域和CRC校驗域這4個部分，如表1所示。其中地址域用于選擇要進行通信的從機地址；功能域用于指示要執行的具體操作；數據域包含所要傳輸的數據；CRC校驗域用于存放產生的CRC差錯校驗碼，保證數據傳輸的正確性。

通信協議中規定的通信波特率有2400 bps 、4800 bps 、9600 bps 、19200 bps、38400bps和115200bps六種波特率，默認波特率為9600bps，可以根據實際需要通過軟件設定。通信方式和波特率對應的設置參數存于單片機自帶的EEPROM存儲器中。

通信協議中定義的功能碼及其功能如表2所示。將來如果需要擴展功能的話，還可以通過在應用程序中增加相應的功能碼來增加系統對應的功能，使得系統功能擴展更加靈活。

表1 信息幀標準結構


表2 功能


轉換器的試驗結果

為了方便轉換器的調試，這里采用10位的通信方式，即1位起始位、8位數據位和1位停止位。其中上位機為PC機，通信接口為RS232接口；下位機是以C8051F020單片機為核心設計的水泵綜合參數測試平臺的主控電路板，通信接口為RS485接口。調試軟件使用串口調試助手。上位機和下位機的連接就是采用上面已經設計好的RS232/RS485轉換器。這里設置從機地址為01H，采用前面設置的功能碼進行調試。具體的調試結果如圖6所示。

圖6中第1行豎線左邊的數據是PC機發送03H功能碼讀取從機外部數據存儲器2345H地址單元開始的16個單元中的數據時從機返回的數據。主機發送的數據幀（16進制數）為：

01 03 23 45 10 db 12

圖6中第1行豎線左邊部分第1字節代表從機地址，第2字節代表從機返回的功能碼，第3字節為從機發給主機的數據個數，后面的16個字節為所讀取的單元的數據，最后2個字節為CRC16校驗碼。重復發送相同功能碼時可以看到返回的數據是一樣的，說明通信正常。

圖6中第2行豎線右邊的數據是PC機發送10H功能碼對從機外部數據存儲器2345H地址單元開始的16個單元寫入數據時從機返回的數據。主機發送的數據幀（16進制數）為：

01 10 23 45 10 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff a7 21

圖6中第2行豎線右邊部分第1字節代表從機地址，第2字節代表從機返回的功能碼，第3和第4字節分別為外部數據存儲器地址的高字節和低字節，第5字節代表寫入的數據個數，最后2個字節為CRC16校驗碼。重復發送相同功能碼時可以看到返回的數據是一樣的，說明此時通信也正常。在發送10H功能碼之后再發送03H功能碼進行檢查，可以看出從機返回的外部數據存儲器2345H地址單元開始的16個單元中的數據和剛才寫入的數據是相同的，由此可知對應功能碼的操作正確，而且通信也正常。



圖6 采用串口調試助手對設計的轉換器進行調試的結果

從上面的試驗可以看出該轉換器可以實現PC機和RS485總線的正常通信，說明所設計的轉換器符合預期的要求。

結論

本文利用單片機STC11F02E的串口引腳可以在P3.0、P3.1引腳和P1.6、P1.7引腳之間隨意切換的特性，設計了一個簡單實用的RS232/RS485轉換器。該轉換器結構非常簡單，只用到了三片常用集成芯片外加少量外圍器件便可完成總體設計，極大地減小了體積和成本，而且轉換器的電源還可以通過PC機的USB接口提供的5V電源來供電，可以省去另外配置電源的麻煩。

該轉換器已成功應用在所設計的水泵綜合參數測試平臺上，實際試驗結果表明該轉換器運行穩定可靠，可應用于由PC機作為主機的RS485總線的主從式半雙工通信系統當中