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基于单片机的压力液位控制系统的设计研究 摘要 本文介绍了国内外过程控制系统研究的发展过程、进展状况以及提高自动化 程度的若干新技术：研究了过程控制实验装置t k g k l 的内在结构、控制对象以 及主要特点；选取过程控制中的典型参数液位压力为控制对象，设计了以p c 机为上位机、以8 9 ( ；5 1 单片机为下位机，并辅之以传感器、变频器阻及相关接口 部件的二级集散控制系统；着重介绍了基于t l c 2 5 4 3 单片机的数据采集与处理系 统和基于r s 一2 3 2 c 通信标准的数据通信系统程序模块的设计思路、工作过程； 介绍了提高系统抗干扰能力的看门狗电路。 基于单片机的t k g k 一1 过程控制系统的硬件和软件都采用模块化设计，硬件 模块便于生产和维护；软件模块便于修改和升级。文中的数据采集与处理程序、 上位机与下位机之间的通信程序都使用执行效率较高的汇编语言来完成，上位机 的人机交互界面与数据输出程序采用高级语言v b 来开发。 通过本文的研究，总结出了基于单片机过程控制系统的优势：体积小，实际 应用系统简单实用，成本低，效益好；具有较高的性能价格比；系统不易受到干 扰，可靠性高。本文为基于单片机的过程控制系统应用到实际生产过程做了有益 的尝试，为提高我国过程控制自动化水平提供了有参考价值的设计思路。 关键词：过程控制单片机数据采集串行通信程序设计 r e s e a r c ho fp r e s s u r e l i q u i dp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m w h i c hi sb a s e do i ls i n g l ec h i d a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，t h e n o w a d a y ss i t u a t i o na n ds e v e r a lm e wt e c h n i q u e s 。w h i c ha r eg o o df o rt h e i m p r o v e m e n to fa u t o m a t i z a t i o n ，i nb o t hc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s t h i sp a p e rh a sd o n em a n yr e s e a r c h ，i n c l u d i n g ：t h ei m m a n e n ts t r u c t u r e ， c o n t r o l i i n go b j e c t sa n dt h em a i nf e a t u r e s o ft k g f ( _ 一ip r o c e s sc o n t r o l s y s t e m ；c h o o s i n gt h et y p i c a lp a r a m e t e r - - h y d r a u l i cp o s i t i o n p r e s s u r ea s t h em a i no b j e c t ，w eh a v ed e s i g n e dad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s c o m p o s e db yp c ，c a l 2 e de p i g y n yc o m p u t e r ，a t 8 9 c 5 1 ，c a l i e dh y p o g y n ys i n g l e c h i p ，a n do t h e ra s s i s t a n te q u i p m e n t s ，s u c ha ss e n s o r ，t r a n s d u c e ra n d r e l a t e di n t e r f a c ec o m p o n e n t s p u t t i n gt h ee m p h a s i so nt h ei n t r o d u c t i o n o fd a t ac o l l e c t i n ga n dd i s p o s i n gs y s t e m , w h i c hi sb a s e do nt h es i n g l ec h i p t l c 2 5 4 3 ，a n dt h ed a t at r a f f i cs y s t e m w h i c hi sb a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o n s t a n d a r dr s 一2 3 2 c t h ei n t r o d u c t i o nc o n t a i n st h ed e s i g n i n gi d e aa n d w o r k i n gp r o c e s so ft h ef o r m a l i t ym o d u l ea b o v e i n t r o d u c i n gt h ew a t c hd o g c i r c u i tw h i c hi eu s e dt oi m p r o v et h ea n t i - - j a m m i n ga b i l i t yo ft h es y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h et k g i 卜一lp r o c e s s c o n t r o ls y s t e m w h i c h i sb a s e do nt h es i n g l ec h i p ，b o t hu s et h em o d u l a r i z ed e s i g n t h eh a r d w a r e m o d u l ei se a s yt op r o d u c ea n dm a i n t e n a n c e ；t h es o f t w a r em o d u l ei se a s y t o e n da n du p g r a d e t h ed a t ac o l l e c t i n ga n dd i s p o s i n gf o r m a l i t ya n dt h e e o m u n i c a t i o nf o r m a l i t y ，w h i c hi su s e db e t w e e ne p i g y n yc o m p u t e ra n d h y p o g y n ys i n g l ec h i p ，a r eb o t hu s et h ea s s e m b l el a n g u a g et h a th a st h eh i g h e f f i c i e n c y t h ea l t e r n a t i v ei n t e r f a c eo fe p i g y n yb e t w e e nh u m a na n d c o m p u t e r ，t h ef o r m a l i t yw h i c hi su s e df o re x p o r t i n gd a t a ，b o t hu s et h e h i g h 1 l a s sl a n g u a g ev b a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ft h i sp a p e r ，w ec a ng i v eas u m m a r i z eo f t h ea d v a n t a g e so ft h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h es i n g l e c h i p ：s m a l l ：t h ea p p l i c a t i o ns y s t e mi ss i m p l ea n dp r a c t i c a l ；l o w e re o s l ：， g o o db e n e f i t ：h a st h eu p p e rc a p a b i l i t yp r i c er a t i n ：h a sb e t t e ra n t i j a m m i n ga b i l i t ya n dh i g h e rd e p e n d a b i l i t y t h i sp a p e ri saa v a i l a b i l i t y a t t e m p tf o rp u t t i n gt h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do ns i n g l e c h i pi n t op r a c t i c a lm a n u f a c t u r e i ta l s op r o v i d e sv a l u a b i ed e s i g ni d e a t h a tc a nb eu s e dt oi m p r o v et h en o t i o n a lp r o e e s sc o n t r o la u t o m a t i z a t i o n 1 e v e l k e yw o r d ：p r o c e s sc o n t r o l s i n g l ec h i p d a t ac o l l e c t i n g s e r i a l c o m m u n i c a t i o n p r o g r a md e s i g n 插图清单 图2 1t k g k 一1 实验装置工艺流程图4 图2 2 微机监控系统测绘的液位动态波形5 图2 3 单容水箱液位压力控制系统框图8 图2 4 单片机控制系统的结构框图8 图3 1t l c 2 5 4 3 引脚l l 图3 ，2t l c 2 5 4 3 与a t 8 9 c 5 1 芯片的接口电路1 3 图3 3 数据采集子程序流程罔1 7 图3 4 数据传送子程序流程图1 8 图3 5 变速积分p i d 控制子程序流程图1 9 图4 18 9 c 5 1 串行口内部结构图2 2 图4 2s c o n 格式及各位的定义2 3 图4 3p c o n 格式及各位的定义2 4 图4 4 方式l 传输的祯格式2 4 图4 5 计算机与终端连接方法2 6 图4 6 上位机接收数据主程序流程图2 9 图4 7 上位机接收数据中断服务程序流程图3 0 图4 8 下位机发送数据主程序流程图3 1 图4 9 下位机接收数据程序流程图3 2 图4 1 0 下位机发送数据中断服务程序流程图3 3 图4 1 ii d c o k 程序流程图3 4 图4 1 2x 2 5 0 4 5 与a t 9 9 c s l 接口电路3 5 图5 1 系统登陆界面3 7 图5 2 装置流程示意图3 8 图5 3 计算机控制界面3 8 图5 4 单片机控制屏面板3 9 图5 5 单片机控制典型液位曲线4 l 图5 6p l c 控制典型液位曲线4 2 图5 7p i d 控制的液位曲线图4 2 图5 8p b = 5 0 0 时的液位曲线4 3 图5 9t i = 1 0 0 0 时的液位曲线4 4 图5 ，1 0t i = 5 0 0 0 时的液位曲线4 4 图5 1 1t i = 5 0 0 0 ，t d = 5 1 0 0 时的液位曲线4 5 图5 1 2t i = 1 0 0 0 ，t d = o 时的液位曲线4 6 表格清单 表3 1 控制寄存器中各位定义1 2 表3 - - 2 通道的选择或测试电压的选择1 2 表3 - - 3 数据长度的选择1 3 表3 4 输出数据的格式】3 表3 5 极性的选择1 3 表卜l 串行口的工作方式2 3 表4 2 系统参数的选取2 4 表4 3r s - - 2 3 2 c 接口信号( d b _ 2 5 ) 2 5 表4 _ 叫r s - - 2 3 2 c 电气性能表2 5 表4 5m a x 2 0 2 引脚功能表2 6 表4 6m s c o m m 控件的属性值2 8 表5 一l 系统参数功能定义4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他 已经发表或撰写过的 研究成粟，也不包含为获得 盒g 壁王丝厶堂 或其他教育机构静学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：f 鼠 6 虬4 蠢 签字日期：2 7 年r 月z7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金垦工些盔堂有关保留，使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金世 王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储躲阎绒谙 导师签名 签字日期：2 d 町年 月z 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位； 通讯地址； 季武 签字日期：加哆年夕月z 1 日 ， f 电话： 邮编； 致谢 光阴似箭转眼间两年半的研究生生活也将告一段落了。在本文即将完成之 际，我心潮澎湃，从进入课题到论文的顺利完成，许多师长、同学、朋友给予了 我极大的帮助，在这里请你们接受我诚挚的谢意。 本文是在我的导师朱武副教授的悉心指导下完成的。在整个研究生阶段，朱 老师无论在学习上还是生活上都给我极大的帮助和鼓励。朱老师严谨的治学态 度、尽心尽责的工作态度、平易近人的作风以及积极乐观的生活态度，都对我产 生了很深的影响，将是我一生受益不尽的财富。在此向朱老师致以最诚挚的感谢! 在研究生阶段的学习和研究生活中，真空教研室的陈长琦老师、干蜀毅老师、 王君老师、王旭迪老师、唐志国老师给予了我无私的指导和热心的帮助，在此一 并表示衷心的感谢。 由衷感谢我的同学谢俊杨有财、高庞、刘珍、陈明在多年的学习和生活上 给予我的帮助。感谢孙洁、徐正侠、谢祖强、陶贺、李森以及真空教研室所有的 师弟、师妹们给我的论文提出的宝贵意见和平时生活上对我的帮助。 由衷痞谢我的父母，是他们的无私奉献和全力支持为我铺平了前进的道路， 让我在人生的旅程上一帆风顺，我将以更好的成绩来回报他们! 最后，再次向所有关心和支持我的老师、同学、亲人和朋友们致以我最诚挚 的谢意j 作者：阎晓倩 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 过程控制的概念 过程控制通常是指石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、建材、原子能等 工业部门生产过程的自动化。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。在现 代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术指标、提高经 济效益和社会效益、提高劳动生产率、节能、环保和改善劳动条件等方面起着越 来越大的作用。 过程控制有很多分类的方法，若按被控参数的名称来分，有流量、压力、液 位、成分、p h 值等控制系统；按是否采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程 控制系统和计算机过程控制系统；按给定信号的特点来分，有定值控制系统、程 序控制系统和随动控制系统等【l l 。 由于被控对象本身是千差万别的，所以要求过程控制系统的设计工作必须根 据具体的工业设计过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系 统，再通过p i d 参数整定，实现对生产过程的最优控制。 1 2 过程控制的国内外发展概况 自从维纳创立控制论以来，自动控制理论经历了两个主要的发展阶段：经典 控制理论阶段和现代控制理论阶段函3 1 。经过半个多世纪的发展，这些常规的控 制方法已经形成了比较完善的学科体系，并获得了许多成功的应用。它主要是针 对工艺过程的连续时间动态系统，要求对象必须量化，各种量化参数之间的关系 能够用比较精确的数学模型来描述。随着科学技术的发展，现代工业的生产规模 越来越大，复杂性越来越高，市场竞争也越来越激烈。因此，对企业的管理和生 产过程的控制要求也越来越高。为了保证生产的高效稳定的运行，获得最大的经 济效益，原来简单的、局部的、常规的控常4 和仅凭经验的管理在现代工业化生产 面前就显得力不从心了。因此，在国内外，又有多种先进控制系统得到充分研究， 如多变量预估控制( m p c ) ，优化控制( o p t ) ，连续过程的总体质量控制( s q c ) ， 与工人智能相结合的智能控制( a t ，包括模糊控制系统，专家系统等) ，适用于 大时滞过程的先进控制( a p c ) ，能够进行故障检测和诊断的容错控制以及连续 工业过程的计算机一体化生产系统( c i m s ) ，等等。这些新的控制理论的出现， 进一步推动了现代控制理论的发展，并且在常规控制理论的基础上产生了一个新 的飞跃。 1 , 3 基于单片机控制的特点1 4 ( 1 ) 单片微机体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好。 ( 2 ) 系统配置以满足对象的控制要求为出发点，使得系统具有较高的性能 价格比。 ( 3 ) 应用系统通常将程序驻留在r o m 中，无需软硬磁盘做软件载体，使 系统不易受到干扰，可靠性商，使用方便。 ( 4 ) 应用系统所用存储器芯片可选用e p r o m 、e 2 p r o m 、o t p 芯片或利 用掩膜形式生产，便于成批开发和应用，许多单片微机如6 8 系列和8 0 c 5 1 系列， 开发芯片和应用芯片相互配套，使应用系统成本大大降低。 ( 5 ) 由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于安装于被控设备之内， 大大推动了机电一体化产品的开发。 1 4 课题的来源、目的厦所研究的主要内容 本课题来自合肥工业大学实验室建设项目，目的在于对t k g k 一1 实验装置 进行控制、调节，使管道的流量、液位等参数值达到给定要求；减小或消除来自 系统内部或外部的影响：克服滞后现象；提高系统的鲁棒性；优化控制参数等。 本课题主要研究的是基于单片机对实验装置的液位压力参数的控制和调 节，即以单片机为调节器，辅助以与单片机系统配套的a d 、d a 转换单元及电 路，通过执行数字p i d 程序实现自动调整( 设定值在单片机键盘上完成) 。 1 5 课题的意义 在工业生产的实践中，人们普遍要求产品的质量“稳定”，而所谓产品质量 的稳定实质上是指产品的某些最关键性的指标必须达到预定的要求：但是产品的 性能指标的稳定往往是与产品生产过程中的工艺过程、工艺条件及工艺参数的稳 定密不可分的。难以想象，在一个不稳定的、多变的生产条件下，能够生产出质 量稳定的产品。事实上，在许多领域，过程控制的主要目的在于消除或减小外界 的干扰对被控量的影响，使被控量能够稳定在给定值上。一个良好的控制系统不 但要保护系统的稳定性和整个生产的安全，满足一定的约束条件，而且应该带来 一定的经济效益和社会效益。因此，对于过程控制系统的设计，已不能采用单一 基于定量的数学模型的传统控制理论稻控制技术必须进一步开发高级的过程控 制系统，研究先进的过程控制规律。所以基于单片机的控制系统在过程控制的生 产实践中，发挥了越来越重要的作用。 单片微机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。由于其体积小， 价格低，具有逻辑判断、定时计数、程序控制等多种功能，在各个领域、各个行 业都得到了广泛应用。不仅有常用的8 位机，而且4 位单片机和1 6 位单片机也 得到了普及，随着过程控制精度要求的增加和运算速度的增快，3 2 位单片机也 得到了进一步的应用。 2 第二章t k g i 卜1 过程控制实验系统 k l 型过程控制实验装置是杭州天科技术公司天煌教学仪器厂生产豹 一种新型实验设备，下面简要介绍一下该实验装置的被控对象以及所能提供的过 程检测控制仪表。 2 1t k g k - l 实验装置所构建的控制对象 t k g k 一1 过程控制实验装置的对象模型是由上、下两个水箱构成液位、压力、 流量三个参数的控制系统，由复合水箱和加热器构成温度控制系统。执行部件是 三相变频调速交流鼠笼电动机，支流调速他励电动机和通过固态继电器控制的电 热器。 t k g k l 过程控制实验装置集多参数闭环控制为一体由过程控制对象、调 节器模块、执行器模块、变送器模块等组成，各模块间灵活组合，基本包含了目 前所有的工业控制方式，涉及温度、压力、流量、液位等重要的过程控制参数 l 。 控制对象主要由上、下两个水箱、一个电加热器复合水箱及一个储水箱组成。 上、下水箱滚位或压力作为被控对象由两个水泵供水( 由交流、直流调速电机、 齿轮泵和压力传感器等组成) ，水箱水温作为被控对象是由温度传感器、加热器、 固态继电器等组成；管道上装有电磁流量计、阀门等。水位、水温、压力以及供 水流量均可作为被控变量。两个水泵可同时工作，也可单独工作，还可以将其中 一个作为执行器，另一个作为干扰源。整个对象可设计成一阶、二阶系统。 系统的工艺流程图如图2 1 所示，交流电动机从储水箱中抽水，提供给对象， 一方面它可以通过阀5 或阀6 供给复合温控水箱，再经过电磁流量计( f t ) 后， 经阀1 或阀3 分别供给上，下两个水箱；另外一方面，直流电动机从储水箱中抽 水，通过阀7 和阀g 也可供水给上、下两个水箱，两个水箱内均装有液位传感器 m + n ，则该 e ”不累积；而在其他情况时t e ”以一去k ，l + ! 号笋为系数进行累积。 因此，我们在( 3 4 ) 的基础上可以得出位置型变速积分p d 算式为； ；一矿槿)+，(卜k1。)】(3-8)k k k o 鼻矿，p m + ，l f + 几) p j + 一铀) j l l o j 其中，k ，比例系数 k ，积分系数，蜀= 砟 k 口微分系数，= k ，b - 3 5 系统的软件部分 任何一个控制系统必须通过软、硬件的结合才能构成完整的控制系统，执行 相应的操作。通过软件的设计可以弥补硬件的不足，优化控制系统，使整个系统 发挥出最大的潜力。获得最佳的控制效果。本系统的数据采集部分主要包括数据 采集子程序、数据传输子程序和p i d 控制予程序。 3 5 1 数据采集子程序 串行输入输出的数模转换器，在编程应特别注意t l c 2 5 4 3 的工作时序。其 i o c l o c k 引脚接收串行输入信号，在i o c l o c k 的前8 个上升沿，d i n 引脚 的8 位输入数据存入数据存储器；在i oc l o c k 的第4 个下降沿，被选通的模 拟输入电压开始向电容器充电，直到i oc l o c k 的最后一个下降沿为止；将前 一次转换数据的其余1 1 位输出到d a t ao u t 端，在f oc l o c k 的下降沿时 数据开始变化；1 7 0c l o c k 的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部 状态控制位。因此，t l 0 2 5 4 3 在每次i o 周期读取到的数据都是前一次的转换结 果，应该丢弃，再读一次，即为当前转换值p 0 j 。数据采集子程序的程序流程图 如图3 3 所示： i oc l o c k 时钟清零 上 通道左移4 位 工 功能选择c s 关闭 i等待转换结柬标志位为1 功能选择c s 开启 上 写a 通道方式控制字，并 读出1 2 位数据的高8 位 上 读出低4 位数据 图3 3 数据采集子程序流程图 f i g 3 3t h ef l o wc h a r to f d a t ac o l l e c t i n gs u b p r o g r a m 3 5 2 数据传输子程序 单片机数据传输子程序的功能是将单片机通过t l c 2 5 4 3 采集到的数据，通 过单片机的串行口以一个固定的波特率发送到p c 机。本实验中采用的是9 6 0 0 b s 的波特率。为简单起见，发送数据以6 个字节为一帧，其传输格式为前1 6 位的 同步码，中间1 6 位数据( 其中后1 2 位有效，即为系统采集到的数据) ，最后1 6 为c r c 梗验码【j 】1 。其程序流程图如图3 4 所示； 3 5 3p i d 控制子程序 p i d 控制程序的入口参数是经a d 转换的实际值，而它的各个系数均由初始 化时确定，若要修改，则通过单片机控制屏来完成。p 1 d 增量型的出口参数是直 接输入d a 转换的数值。本设计是将p d 控制作为主要控制方法，将其放在初 始程序中。不需要时，只要将其入口地址改变即可。 图3 4 数据传送子程序流程图 f i g 3 4 t h e f l o w c h a r to f d a m t r a n s f e r s u b p r o g r a m p i d 控制子程序流程如图3 5 所示。 根据位置型变速积分p i p 算式( 3 8 ) 把实际值与给定值进行比较，计算 出f q 。、 ，并对i q 。j 所在区间进行判断，以确认e “，的实际累积速度。 变速积分p i d 控制算法主要目的是消除静差和提高控制精度，因为在实际生 产的开停车期间或大幅度地增减设定值时，系统短时间内输出偏差很大会导致控 制量超出执行机构允许的最大动作范围，从而使系统出现较大的超调量甚致发生 系统振荡。采用变速积分法根据系统偏差的丈小改变积分项的累积速度，对提高 系统的品质十分有效。 图3 5 变速积分p i d 控制子程序流程图 f i g 3 5 t h o f l o wc h m t o f s h i f i i n t e g r a l p i e ) c o n t r o l l i n g s u b p r o g r a m 第四章通信接口及其应用程序 随着微机技术的普及和发展，计算机网络已将分散的单设备，通过通信线路 实现多设备相互通信、资源共享。在本实验系统中，上位机与下位机之间也存在 这种通信，下面对其进行介绍。 4 i 数据通信 在实际工作中，计算机的c p u 与外部设各之间常常要进行信息交换，一台 计算机与其他计算机之间往往也要交换信息，所有这些信息的交换均可称为通 信。 通信方式有两种，即并行通信和串行通信 3 2 1 。通常根据信息传送的距离决 定采用哪种通信方式。9 9 c 5 1 单片机有并行和串行两种基本通信方式。 并行通信是指数据的各位同时进行传送( 发送或接受) 的通信方式。其优点 是传送速度茯：缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。例如，8 9 c 5 1 单片 机与打印机之间的数据传送就属于并行通信( 8 位数据并行通信) 。并行通信在 位数多、传送距离又远时就不太适宜。 串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式。它的突出优点是只需一 对传输线( 利用电话线就可作为传送线) ，这样就大大降低了传送成本，特别适 用于远距离通信：其缺点是传送速度较低。 4 2 通信的基本方式 串行通信是系统a 和系统b 进行数据交换的过程，该过程按系统阃通信的 方向和时阃的关系，分为单工，半取工和全取工j 。 单工方式仅允许数据按一个固定不变的方向传送，若规定系统a 为发送端， 则系统b 只可以工作为接受方式。 半双工方式允许系统a 发送数据给系统b ，也允许系统b 发送数据给系统 a ，由于系统a 和系统b 之间只有一根数据传输线，因此系统a 和系统b 仅能 分时执行发送数据和接受数据。工程中当系统a 和系统b 在不通信的情况下， 应使它们分别工作为接受状态，这样系统a 和系统b 就可以随时接收到对方输 出的数据。 全双工方式由于系统a 和系统b 之间有两根数据传输线，因此系统a 在发 送数据给系统b 的同时，又可以接收系统b 发送的数据。全双工方式要求系统 a 和系统b 均有各自独立的接受和发送通道。 本实验装置的控制系统的上位机与下位机之间只有一根数据线相连，故为半 双工通信方式。 4 3 异步通信和同步通信 按照串行数据的同步方式，串行通信又分为异步通信和同步通信两种方式。 在单片机中，主要使用异步通信方式。本系统采用的即为异步通信。 4 3 1 异步通信 在异步通信中，数据通常是以字符( 字节) 为单位组成字符帧传送的。字符 帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线由接收设备一帧一帧地接收。发送端和 接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收。这两个时钟源彼此独立、互 不同步。 在异步通信中，发送端和接收端依靠字符帧格式规定和波特率来协调数据的 发送和接收。字符帧格式和波特率是两个重要指标，一般由用户根据实际情况选 定。 异步串行通信每帧数据由被传送的数据位和附加的起始位、奇偶校验位、停 止位组成 3 4 - 3 s 。 起始位逻辑“0 ”信号是协调收，发双方在一帧数据传输过程中的同步标志。 当发送端在输出起始位后，紧接着就发送由5 8 个二进制数据位组成的帧 数据。每一帧数据首先发送帧数据的最低位( d 。) ，最后发送帧数据的最高位， 并以此为序在接收端将接收到的数据转换成并行数据。 奇偶校验位是通信双方约定的一种用于对有限错误的检测方法，同样由串行 口根据所发送数据中“l ”的位个数，在发送帧数据的最高位后面自动再发送一 位表示奇偶校验位的高电平或低电平。 停止位由1 位、1 5 位或2 位高电平组成，它表示收发一帧数据结束。接收 端在接收到停止位之后，通信线又恢复为空闲逻辑“l ”状态。直至下一帧数据 起始位的到达。 当第一帧数据发送结束时，若第二帧数据发送端没有准备好，此时传输线便 处于高电平的空闲状态，该空闲状态一直保持到第二帧数据发送起始位时才结 束。 4 3 2 同步通信 同步通信是指在一个数据块的开头使用同步字符。数据传送时使用同一频率 的时钟脉冲来实现发送端与接收端的严格时间同步，这种时钟脉冲成为同步脉 冲。数据传送时，数据与同步脉冲同时发出。数据块中首先发同步字符，一般为 1 个2 个。接收端首先接收同步字符，确认同步后开始接收数据。采用同步方 式传送，硬件设各较为复杂，因为对同步脉冲相位的一致性要求严格。与异步传 送相比，同步传送速率高。 4 3 3 波特率 波特率的定义是每秒钟传送二进制数码的位数( 亦称比特数) ，单位是b s 。 波特率是串行通信的重要指标，用于表征数据传送的速率。波特率越高，数据传 输速度越快。字符的实际传送速度与波特率不同。字符的实际传送速率是指每秒 钟内所传字符帧的帧数，与字符帧格式有关。 异步通信的传送速率在5 0 b s 1 9 2 f f o b s 之间，波特率不同于发送时钟和接 收时钟，时钟频率常是波特率的1 倍、1 6 倍或6 4 倍。 在异步串行通信中，接收设备和发送设各保持相同的传送波特率，并以字符 数据的起始位与发送设备保持同步。起始位、奇偶校验位和停止位的约定在间一 次传送过程中必须保持一致，这样才能成功地传送数据。 4 4 通信系统的硬件结构 4 4 1 串行口的结构 8 9 c 5 1 单片机通过引脚r x d ( p 3 0 ，串行数据接收端) 和引脚t x d ( p 3 i ， 串行数据发送端) 与外界进行通信。 8 9 c 5 1 串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲寄存器s b u f 、发送控制 器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。如图4 1 所示。发送缓冲 寄存器s b u f 只能写，不能读：接收缓冲寄存器s b u f 只能读，不能写；两个缓冲 寄存器共用一个地址9 9 h ，可以用读写指令区分。 串行发送时，通过“m o vs b u f ，a ”写指令，c p u 把累加器a 的内容写入发 送的s b u f ( 9 9 h ) ，再由发送端t x d 一位一位地向外发送；串行接收时，接收端 r x d 一位一位地接收数据，直到接收到一个完整的字符数据后通知c p u ，再通过 “m o va ，s b u f ”读指令，c p u 从接受的s b u f ( 9 9 h ) 读出数据，送到累加器a 中。发送和接收的过程可以采用中断方式，从而可以大大提高c p u 的效率。 图4 18 9 ( 2 5 1 串行口内部结构图 f j 9 4 11 1 l ec h a no f 8 9 c 5 1s c d a lo r i f i c ei n s i d e 蚰c t u r e 系统中由两个特殊功能寄存器s c o n 和p c o n 来控制串行口的工作方式和波特 率。波特率发生器可用定时器t 1 或t 2 构成。 4 4 2 串行口控制器( s c o n ) s c o n 是一个特殊功能寄存器，地址为9 8 h ，具有位寻址功能。s c o n 包括 串行口的工作方式选择位8 m 0 、s m i ，多机通信标志s m 2 ，接收允许位r e n ， 发送接收的第九位数据t b 8 、r b 8 ，以及发送和接收中断标志n 和r i 。s c o n 的格式及各位的定义如图4 2 所示。 i ) 7d 6d 5d 4 d 3d 2虬d o 图4 2 $ c o n 格式及各位的定义 f i 9 4 2t h ef o r m a ta n dd e f i n i t i o no f s c o n s m 0 和$ m 1 是串行1 2 - 1 作方式选择位。两个选择位对应4 种通信方式，如 表4 - - 1 所示。 表4 一l 串行口的工作方式 s m 08 m 1工作方式说明 波特率 00 方式0同步移位寄存器岛s c l l 2 0i 方式11 0 位异步收发 由定时器控制 l0 方式2i i 位异步收发f o t , c 3 2 或1 6 4 11 方式31 1 位异步收发由定时器控制 4 4 3 电源控制寄存器( p e o n ) p c o n 主要是为h c m o s 型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，地址为 8 7 h 。其格式如图4 3 所示。 s m o d 为波特率倍增位，在方式1 ，方式2 、方式3 串行通信波特率与2 s m o d 成正比。当$ m o d = i 时，串行通信波特率可提高一倍。复位时s m 4 4 4 串行口的工作方式l 硐 根据实际需要。8 9 c 5 1 串行口可设置4 种工作方式，它们是由s c o n 中的 s m 0 ，s m i 这两位定义的。其中，方式0 并不用于通信，而是通过外接移位寄 存器芯片实现扩展并行y o 功能。方式1 、方式2 和方式3 都是异步通信方式， 方式1 是8 位异步通信接口，一帧信息由1 0 位组成，用于双机通信；方式2 和 图4 3p c o n 格式及各位的定义 f i 9 4 3 t h e f o r m a t a n d d e f i n i t i o n o f p c o n 方式3 都是9 位异步通信接口，方式2 和3 主要是波特率不同，两者均可用于多 机通信和职机通信。 当s m is m 0 = 0 1 时，串行接口选择工作方式l ，为可变波特率的8 位异步通 信方式。发送数据由t x d 端输出，接收数据由r x d 端输入。方式1 以1 0 位为 一帧传输，其帧格式为一个起始位( o ) 、8 个数据位和1 个停止位( 1 ) ，如图4 4 所示。 起始位 停止位 ! e e 叵互叵 门 图4 4 方式l 传输韵帧格式 f i 酣4t h t r a n s f e rf o r m a to f m o d e1 4 4 5 有关参数的选取 在本装置的通信系统中，波特率及其他参数的选取如表4 2 所示。 表4 - 2 系统参数韵选取 定时器t l l 串行口工作方式波特率( b s )f o s c t m h z s m o i l )c 厂r模式 定时器初值 方式1 9 6 0 0“0 5 9 200 2f d h 4 5r s - _ 2 3 2 c 接口总线 r s - - 2 3 2 c 是目前最常用的串行口接口标准，用于实现计算机与计算机之间、 计算机与外设之间的数据通信。它是美国电子工业协会( e i a ) 在1 9 6 9 年公布 利用公用电话网进行数据通信的标准，这个标准定义可接口中的信号功能，信号 的电气特征和接口的机械结构。r s 2 3 2 总线分为d t e 和d c e 交换数据的t x d 和r x d ，实现数据可靠传输的控制信号( 联络信号) ，采用d b _ 一2 5 连接器，表 和- 3 是标准r s - - 2 3 2 c ( d b - - 2 5 ) 的信号定义 3 7 1 。 表4 qr $ - - 2 3 2 c 接口信号( d b - - 2 5 ) 引脚 信号名称信号传输引脚信号名称 信号传输 号方向号方向 l 保护地设备地1 4 第二信道发送数据 d t e 呻d c e 2 发送数据( t x d ) d t e d c e 1 5发送器定时时钟o t e d c e 3 接收数据( r x d ) d c e d t e1 6 第二信道接收数据d c e d t e 4 请求发送( r t s ) d t e d c e1 7 接收器定时时钟d c e d t e 5 清除旋送( c t s )d c e 一口i 蕾 1 8 未定义 6d c e 准备好( d s r )d c e 一眦1 9 第二信道请求发送d t e d c e 7 信号地( s g n d )2 0 d t e 准备好( d t r )d t r d ( 1 e 8 载波检测( c d )d c e 一所e2 1信号品质检测器d c e d t e 9 未定义 2 2 振铃指示( r j ) d c e 盯e 1 0 未定义2 3数据速率检测d t e d c b i l 未定义2 4 发送器定时时钟d t e d c e 1 2 第二信道载波检测 d c e d t e 2 5未定义 1 3第二道摘除发送d c e 一口t e r 8 - - 2 3 2 c 为提高传输的抗干扰能力，采用了负逻辑工作方式。即逻辑“l ” 电平为一3 一1 5 v ，逻辑“0 ”电平为+ 3 一+ 1 5 v ，在+ 3 一3 v 之间的过渡区逻辑 状态不变。表4 - 4 是r s - - 2 3 2 c 电气性能表。 表4 4r s - - 2 3 2 c 电气性能表 负载为3 7 k q 时驱动器输出电平逻辑0 ；+ 3 + 1 5 v 逻辑1 ：一3 一1 5 v 不带负载时驱动器输出电平 一2 5 + 2 5 驱动器通断时的输出阻抗 3 0 0 q 输出短路电流 0 5 a 驱动器转换速率 3 0 v , u s 接收器输入电压允许范围一1 5 + 1 5 v 接收器输入阻抗在3 7 七0 之间 输入开路时接收器输出逻辑l 输入通过3 0 0 q 接地时接收器输出逻辑1 + 3 v 输入时接收器输出 逻辑0 - - 3 v 输入时接收器输出逻辑l 最大等效负载电容2 5 0 0 p f 最高传输速率 2 0 k 波特 标准传输最大距离1 5 m ( 1 5 ( ) 妒多芯传输线，无调制解调器) r s - - 2 3 2 c 规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不一致的。 因此在实际应用时，必须把微处理器信号电平( t i l 电平) 转换为r s - - 2 3 2 c 电 平，或者对两者进行逆转换，这两种转换是通过专用电平转换芯片实现的。本系 统采用的是专用电平转换芯片m a x 2 0 2 。 m a x 2 0 2 是m a x i m 公司出产的低功耗、单电源双r s 2 3 2 发送接收器。适 用于各种e i a 2 3 2 e 和v 2 8 v 2