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《西安工程大學學報》2015年第一期

1恒溫控制器的通信系統設計

1．1系統框架

該恒溫控制器分為控制板與顯示板兩大部分，控制板通過四路DS18B20分別采集出水口溫度T1、入水口溫度T2、環境溫度T3、水流量T4，EEPROM中存放系統的參數，這些參數可以被查看也可以被修改；從機則調用EEPROM中數據并實時顯示溫度、流量，并允許用戶通過按鍵修改這些參數．具體框架如圖1所示．顯示板與控制板通過MAX485進行通信，MAX485通信具有硬件簡單、控制方便、成本低廉等優點，在測控系統中被廣泛使用．系統通信主要內容有：顯示溫度、流量，查看系統參數和修改系統參數．針對系統數據傳輸的實時性特點，數據在傳輸過程中需做到井然有序．系統需具備一定的抗干擾性能力，一旦受到噪聲干擾還應具有必要的糾錯能力．針對這些內容與要求，數據通信系統對硬件和軟件做了以下設計．

1．2硬件設計

系統通信過程中可能會出現數據收發沖突，采用MAX485的／RE與DE短接并連接到AT89S51的P1．3端口，在程序中通過該端口控制半雙工通信時的接收、發送狀態切換．P3．0與P3．1分別為單片機的串口接收端與發送端，對應連接到MAX485的接收器端與發送器端．采用典型的485接法，兩片MAX485的A、B端通過雙絞線對應連接，通信雙絞線之間接有120Ω阻抗匹配電阻，減小信號反射，增強信號抗干擾性．其硬件原理圖如圖2所示．由于系統主要工作于室內，受到的干擾相對較少，采用這種MAX485典型連接方式即可滿足設計要求．在實際應用中一方面可以節約成本，另一方面簡化了系統，使得系統連接方便簡單．

1．3軟件設計

1．3．1軟件的初始化（1）系統為雙機通信，將主、從機的串口統一設置為工作方式2，即11位異步通信方式；（2）主機與從機進行相應的波特率初始化，采用定時器T1，工作方式2，8位計數器，在11．0592MHz下波特率為9600bit／s．

1．3．2數據幀格式在異步通信中，數據是一幀一幀傳送的，最標準的數據幀格式是由1位起始位，5～8位數據位，1個校驗位和1個停止位4部分組成．程序采用獨特的數據幀格式，其幀格式包括：地址碼、數據碼、序號、CRC校驗碼、終止功能碼．地址碼定義為ADDR，其地址為0x50，是主、從機握手信號；數據是主、從機之間發送的溫度、參數以及修改的參數等信息；序號是從機請求信號，不同序號代表不同的請求；CRC校驗碼是這一數據包的校驗標志，采用CRC16碼，包含2個字節；終止功能碼定義為AEND，其地址為0x8b，是主機發送完畢的應答位．程序在接收與發送都加入了16位CRC查表校驗，CRC查表校驗具有校驗速度快，使用方便的特點．一旦信號受到干擾就會校驗出錯，這樣提高了系統的抗干擾性和糾錯性．終止功能碼的作用是判定該數據幀發送完畢，接收到該數據碼則表示數據已經發送完畢．數據通信時，將鏈路層數據幀中每一項，依次放入11位的數據幀中，送到傳輸線上即可完成鏈路層數據幀的發送與接收．

1．3．3序號的作用程序采用序號代表從機的請求信號，序號還具有區分通信的功能．系統通信的數據較多，主要包括溫度、流量和23個系統參數．為了能夠對這些數據進行有效調用，不同的序號對應不同的請求信號，從機發送給主機序號，主機收到序號后即調出相應數據并反饋給從機．為了實現參數查看與修改這兩個功能的獨立性，避免操作時產生混亂，通過對序號加值的方法來進行區分．序號＝0，表示從機沒有請求；0＜序號＜5則表明從機請求溫度；5＜序號＜29則是對這個數組內部的參數進行操作．采用給序號加數值的方法區分參數的查看與修改功能．查看參數時序號則加10，即從機發送請求序號范圍為：15＜序號＜39，到主機收到后再進行序號減10操作，這就對應上23位數據．參數的修改采用同樣的方法，為避免與查看參數的序號范圍產生重疊，修改參數的序號加40，即序號范圍為：45＜序號＜69．

1．3．4軟件實現流程系統的數據收、發在串口中斷中完成與實現．當串口接收緩沖區的數據為從機發過來的數據，可直接進行接收與處理，系統串口中斷接收、發流程如圖3所示．

2可靠性問題

2．1信號傳輸問題系統通信過程中，傳輸線路不連續或阻抗不匹配將會引起信號的反射，反射信號與原信號疊加將導致數據的誤碼率增加甚至無法正常通信．解決辦法是增加匹配電阻．使用雙絞線連接主、從機，雙絞線的特性阻抗在110～130Ω之間，因此，設計選擇用120Ω的電阻作為匹配電阻添加到總線末端．添加匹配電阻可以達到消除總線上反射信號和吸收噪聲的目的．

2．2通信實時性問題在網絡通信中，實時通信是一項重要的技術指標．它是用來描述上位機與下位機之間快速傳遞信息的特性．在許多應用場合，通信實時性甚至決定了整個通信網絡系統運行的成敗．實時通信一般要經歷3個階段，即通信請求、通信服務和通信結束．設計中，由于采用兩片相同單片機與兩片MAX485組成雙機通信形式，485用一對線進行數據傳輸，則主、從機通信都應該遵循相同的通信協議．在通信過程中信號受到干擾，程序可通過發送與接收的CRC校驗碼很快校驗出錯誤信息，一旦校驗錯誤主機則發送請求錯誤，從機則繼續發送請求．程序采用錯誤次數驗證，錯誤次數達到10次則丟棄該數據幀，并返回0表示什么都沒做；若錯誤次數小于10次，則表明通信正常，可以繼續接收數據，直到接收完數據，之后繼續進行其他請求．

2．3總線沖突問題MAX485收發器由RE和DE兩個端子控制發送和接收的切換，RE和DE一般由單片機的某個IO端口控制．系統上電時，單片機IO端口復位為1，這時從機處于發送狀態，主機控制端應由軟件控制處于接收狀態，否則主、從機都處于接收狀態或發送狀態就會造成總線沖突，導致通信失敗．MAX485主從式雙機通信采用半雙工通行方式，RE端和DE端短接，連接單片機P1．3端口．系統上電，從機控制端置P1．3＝1，從機處于發送狀態，主機控制端置P1．3＝0，主機處于接收狀態．任意時刻都由軟件設置控制端保證主、從機接收發送數據的相匹配，使主、從機之間通信的有序傳輸．

2．4數據傳輸過程中丟幀問題通信過程中，單片機的發送完成是根據串口發送中斷的標志位來判定，而這個標志位是指8位數據在移位寄存器中移出．然而對于通信來說，還會有奇偶校驗位、停止位等，這些還沒有被發送到總線上．因此當最后一個數據發送之后，芯片發送狀態的轉換應進行必要的延時，如果在最后一個字節的發送中斷產生之后，就立馬切換MAX485狀態，會造成最后一個字節無法接收，會被接收端認為錯誤幀而丟棄．軟件設計保證了總線上的單片機發送的控制信號在時序上完全隔開．為確保發送和接收信號的完整和正確，避免總線上信號的碰撞，對總線上信號的發送與接收都進行了必要的時延，主、從機發送和接收信號在時間上完全的隔離．發送和接收控制信號足夠寬，保證完整的接收每一幀數據．

3結束語

本文針對空氣源熱水器中恒溫控制器在溫度數據交換方面存在的不穩定、不可靠的缺點，設計了一種基于MAX485的雙機通信系統．詳細描述了系統的電路原理與程序設計，尤其是程序中采用獨特的數據幀格式，該幀格式可以使程序對數據操作有序，并對通信功能的區分也進行了巧妙的設計．系統的軟件、硬件部分都已經過調試通過，實際應用中運行良好，通信的可靠性高，已成功應用于某型號的直熱式空氣源恒溫控制器中，是一種有效、可靠的通信解決方案，具有一定的參考價值．

作者：劉志鵬朱耀麟單位：西安工程大學電子信息學院