基于RS232通信光電隔離及云臺(tái)控制器設(shè)計(jì)

袁邵祎 曾文 胡彬

摘 要：本文介紹了一種實(shí)用簡(jiǎn)單的RS-232光電隔離通訊接口設(shè)計(jì)方法，通過光電耦合器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)防干擾能力；并設(shè)計(jì)出一個(gè)AT89C2051單片機(jī)和PC機(jī)通訊的硬件連接電路、完整的通訊協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)流程，最后在實(shí)現(xiàn)在云臺(tái)控制器上應(yīng)用的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：光電隔離；通信；RS-232；云臺(tái)

RS-232是EIA（美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)）在上世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)的一種串行通訊接口標(biāo)準(zhǔn)，一直廣泛應(yīng)用于通訊領(lǐng)域[ 1 ]。然而，面對(duì)復(fù)雜多變的電氣環(huán)境，RS-232通信極不穩(wěn)定，受環(huán)境干擾大；而且RS-232通信距離也不是很長(zhǎng)。為了提高通信的抗干擾能力，本設(shè)計(jì)在RS-232通信模塊中添加光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾處理。本文將RS-232串行通信接口應(yīng)用于云臺(tái)控制器上進(jìn)行實(shí)例檢測(cè)應(yīng)用，詳細(xì)介紹如何利用MAX232串行通信接口芯片給AT89C2051單片機(jī)進(jìn)行光電隔離RS-232串行接口通訊[ 2 ]。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)當(dāng)下實(shí)際通訊應(yīng)用下開放、通用的系統(tǒng)，因此采用了通用通訊標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)基于RS-232總線上的數(shù)據(jù)通訊與控制的系統(tǒng)，利用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集而后進(jìn)行處理控制?？刹杉妷骸㈦娏?、脈沖等信號(hào)，即收集即將輸入云臺(tái)各種數(shù)據(jù)信號(hào)，送給光耦對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選，再將信號(hào)提供給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)光耦過濾的信號(hào)對(duì)外部裝置發(fā)出相應(yīng)指令（單片機(jī)程序設(shè)計(jì)好的），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的控制。

技術(shù)指標(biāo)要求：（1）工作電源，輸入電壓5V直流±10%，電流不大于300mA。（2）通迅接口符合RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，波特率高達(dá)250KB。（3）兩路獨(dú)立RS-232通迅，輸入、輸出間電路相互間隔離，兩路輸入端地相互間隔離，兩路輸出端地相互間隔離，通迅地與工作電源地相互間隔離，隔離電阻1000M歐以上。（4）通迅端口輸入端抗干擾峰值電壓可達(dá)15KV。（5）開關(guān)K1、K2、K3、K4、K5的通斷負(fù)載電壓/電流為300V/300mA，接通時(shí)間0～24小時(shí)可調(diào)（默認(rèn)為1秒）。

2 電路設(shè)計(jì)說(shuō)明

根據(jù)單片機(jī)基本原理設(shè)計(jì)如下電路圖：

基于RS232通信光電隔離通訊電路設(shè)計(jì)圖

電路工作原理：

通過AT89C2051單片機(jī)來(lái)對(duì)電路信號(hào)處理和控制，同時(shí)利用MAX232芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)TTL電平（計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)電平5v）和RS232電平（電路傳輸工作電平12v）之間轉(zhuǎn)換，以達(dá)到用RS232電平來(lái)傳輸信息，實(shí)現(xiàn)抗干擾和遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)的效果；同時(shí)通過光耦實(shí)現(xiàn)輸入端和輸出端電信號(hào)隔離，并且對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。電路中還利用DS1232（看門狗芯片）對(duì)電路自檢和保護(hù)作用。最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備的控制。

通過過設(shè)計(jì)好RS-232的通信模塊，實(shí)現(xiàn)基于RS-232總線的數(shù)據(jù)通信與控制；而后加入繼電器控制模塊電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到PC端對(duì)設(shè)備的控制；接著，設(shè)計(jì)出PC端和設(shè)備端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制的模塊，單片機(jī)都按自己的任務(wù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集或者控制。在硬件都設(shè)計(jì)好后，調(diào)試通過，這時(shí)要跟據(jù)整個(gè)系統(tǒng)編制出一定的通信協(xié)議，選擇最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)PC端和設(shè)備端的數(shù)據(jù)通信[ 3 ]。這些在程序設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，軟件采用Keil軟件進(jìn)行編程。PC端和設(shè)備端在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信后，按照擬定的通信協(xié)議，提取有用數(shù)據(jù)信息，從而按照這個(gè)信息，進(jìn)行相關(guān)操作，以達(dá)到基于RS-232總線上的數(shù)據(jù)通信與控制的目的。

本設(shè)計(jì)硬件電路部分主要包括MAX232電平轉(zhuǎn)換、單片機(jī)最小系統(tǒng)、五路光電轉(zhuǎn)換電路、RS-232通訊電路、五路信息傳輸電路等；軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、RS-232通訊協(xié)議、AD/DA驅(qū)動(dòng)等[ 4 ]。

3 基于RS232通信光電隔離通訊在云臺(tái)控制器的運(yùn)用

3.1 通信協(xié)議設(shè)置

晶體11.0592M下RS232串行通迅方式，波特率9600，校驗(yàn)位PNONE。

3.2 對(duì)外接口設(shè)置

（1）5V+、GND電路板工作電源，輸入5V直流電壓；

（2）K1+、K1- 通道一控制，閉合時(shí)開啟，斷開時(shí)停止；

K2+、K2- 通道二控制，閉合時(shí)開啟，斷開時(shí)停止；

K3+、K3- 通道三控制，閉合時(shí)開啟，斷開時(shí)停止；

K4+、K4- 通道四開啟，閉合時(shí)開啟，斷開時(shí)停止；

K5+、K5- 通道五開啟，閉合時(shí)開啟，斷開時(shí)停止；

（3）通迅1輸入：TX1、GND1、RX1；通迅2輸入：TX2、GND1、RX2；

（4）通迅1輸出：TX1、GND、RX1；通迅2輸出：TX2、GND2、RX2；

（5）指示燈POW1、POW2分別指示內(nèi)部?jī)陕犯綦x電源的工作狀態(tài)；點(diǎn)亮表示工作正常。指示燈K1、K2、K3、K4、K5指示相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，點(diǎn)亮?xí)r表示接通。

（6）測(cè)試按扭S1，按下時(shí)K1、K2、K3、K4接通，相對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。

3.3 通迅協(xié)議設(shè)置

（1）通道1、通道2輸入指令33A6同時(shí)控制K1、K2、K3、K4接通時(shí)間一秒，相對(duì)應(yīng)的指示燈亮。

（2）通道1、通道2分別輸入指令33A1、33A2、33A3、33A4、33A5，分別控制K1、K2、K3、K4接通，接通時(shí)間一秒，相對(duì)應(yīng)的指示燈亮。

（3）單片機(jī)上電開啟或熱啟動(dòng)時(shí)，通過RS232通道1返饋信息66 D9 20 13 06 15。

（4）S1鍵盤按下后立即釋放，測(cè)試K1、K2、K3、K4開關(guān)性能，接通時(shí)間一秒，相對(duì)應(yīng)的指示燈亮，同時(shí)通過RS232通道1返饋信息66 DA A1 A2 A3 A4。S1鍵盤按下保持時(shí)間超過2秒以上時(shí)，測(cè)試K1、K2、K3、K4、K5開關(guān)性能，接通時(shí)間一秒，相對(duì)應(yīng)的指示燈亮，同時(shí)通過RS232通道1返饋信息66 DA A1 A2 A3 A4A5。

（5）通道1、通道2在超過24小時(shí)后，無(wú)任何通迅時(shí)，關(guān)機(jī)復(fù)位。

（6）系統(tǒng)受干擾頻繁通迅時(shí)，關(guān)機(jī)復(fù)位。

（7）168小時(shí)（一周）后同時(shí)收到關(guān)主機(jī)的命令“30H”后，關(guān)機(jī)復(fù)位。

4 產(chǎn)品測(cè)試

（1）插入好測(cè)試插座（測(cè)試插座圖紙R232TEST.S01），接入+5V電源，觀察指示燈狀態(tài)，POW1、POW2常亮，RUN省爍。觀察電流消耗應(yīng)小于200mA。

（2）測(cè)試端與電腦串口連接，打開串口調(diào)試軟件（見圖）。

設(shè)置波特率為9600bit/S，校驗(yàn)位：PNone，數(shù)據(jù)位8，停止位為1，十六進(jìn)制收發(fā)及顯示，做以下操作：輸入指令33后，系統(tǒng)復(fù)位，接收窗口應(yīng)能接收到字符66 D9 20 13 06 15。發(fā)送十六進(jìn)制任意字符（33以外），接收窗口應(yīng)能接收到同樣的字符。輸入指令33A6后，K1、K2、K3、K4點(diǎn)亮1秒后熄滅。輸入指令33A5后，K5點(diǎn)亮1秒后熄滅。

（4）S1鍵盤按下保持時(shí)間超過2秒以上時(shí)，K1、K2、K3、K4、K5相對(duì)應(yīng)的指示燈亮一秒后熄滅，接收窗口應(yīng)能接收顯示66 DA A1 A2 A3 A4 A5。

（5）通過以上測(cè)試，產(chǎn)品合格。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本設(shè)計(jì)理論分析與實(shí)驗(yàn)表明：從對(duì)云臺(tái)控制器的實(shí)例應(yīng)用來(lái)看，本文所采用的原理和方法是正確的，達(dá)到了題目設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)的信息通訊只能完成單向的數(shù)據(jù)傳輸和控制等基本功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。因此，本設(shè)計(jì)可在多方面進(jìn)行充實(shí)和完善。

參考文獻(xiàn)：

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*通信作者：胡彬