基于RS232通信光电隔离及云台控制器设计

袁邵祎 曾文 胡彬

摘 要：本文介绍了一种实用简单的RS-232光电隔离通讯接口设计方法，通过光电耦合器对信号进行滤波，实现防干扰能力；并设计出一个AT89C2051单片机和PC机通讯的硬件连接电路、完整的通讯协议和软件设计流程，最后在实现在云台控制器上应用的实例。

关键词：光电隔离；通信；RS-232；云台

RS-232是EIA（美国电子工业协会）在上世纪60年代设计的一种串行通讯接口标准，一直广泛应用于通讯领域[ 1 ]。然而，面对复杂多变的电气环境，RS-232通信極不稳定，受环境干扰大；而且RS-232通信距离也不是很长。为了提高通信的抗干扰能力，本设计在RS-232通信模块中添加光电隔离技术，实现电气隔离，对信号进行过滤处理。本文将RS-232串行通信接口应用于云台控制器上进行实例检测应用，详细介绍如何利用MAX232串行通信接口芯片给AT89C2051单片机进行光电隔离RS-232串行接口通讯[ 2 ]。

1 设计目标

本文的目标是设计一个当下实际通讯应用下开放、通用的系统，因此采用了通用通讯标准去设计方案。本设计的目的是实现基于RS-232总线上的数据通讯与控制的系统，利用单片机对数据采集而后进行处理控制。可采集电压、电流、脉冲等信号，即收集即将输入云台各种数据信号，送给光耦对信号进行筛选，再将信号提供给单片机，单片机根据光耦过滤的信号对外部装置发出相应指令（单片机程序设计好的），从而实现对装置的控制。

技术指标要求：（1）工作电源，输入电压5V直流±10%，电流不大于300mA。（2）通迅接口符合RS232电平标准，波特率高达250KB。（3）两路独立RS-232通迅，输入、输出间电路相互间隔离，两路输入端地相互间隔离，两路输出端地相互间隔离，通迅地与工作电源地相互间隔离，隔离电阻1000M欧以上。（4）通迅端口输入端抗干扰峰值电压可达15KV。（5）开关K1、K2、K3、K4、K5的通断负载电压/电流为300V/300mA，接通时间0～24小时可调（默认为1秒）。

2 电路设计说明

根据单片机基本原理设计如下电路图：

基于RS232通信光电隔离通讯电路设计图

电路工作原理：

通过AT89C2051单片机来对电路信号处理和控制，同时利用MAX232芯片来实现TTL电平（计算机输出信号电平5v）和RS232电平（电路传输工作电平12v）之间转换，以达到用RS232电平来传输信息，实现抗干扰和远距离传输信号的效果；同时通过光耦实现输入端和输出端电信号隔离，并且对输入信号进行滤波。电路中还利用DS1232（看门狗芯片）对电路自检和保护作用。最终实现计算机对设备的控制。

通过过设计好RS-232的通信模块，实现基于RS-232总线的数据通信与控制；而后加入继电器控制模块电路，实现单片机主从机之间的数据通信，从而达到PC端对设备的控制；接着，设计出PC端和设备端进行数据采集与控制的模块，单片机都按自己的任务进行相关数据采集或者控制。在硬件都设计好后，调试通过，这时要跟据整个系统编制出一定的通信协议，选择最优方案，实现PC端和设备端的数据通信[ 3 ]。这些在程序设计中实现，软件采用Keil软件进行编程。PC端和设备端在实现数据通信后，按照拟定的通信协议，提取有用数据信息，从而按照这个信息，进行相关操作，以达到基于RS-232总线上的数据通信与控制的目的。

本设计硬件电路部分主要包括MAX232电平转换、单片机最小系统、五路光电转换电路、RS-232通讯电路、五路信息传输电路等；软件部分主要包括系统初始化、RS-232通讯协议、AD/DA驱动等[ 4 ]。

3 基于RS232通信光电隔离通讯在云台控制器的运用

3.1 通信协议设置

晶体11.0592M下RS232串行通迅方式，波特率9600，校验位PNONE。

3.2 对外接口设置

（1）5V+、GND电路板工作电源，输入5V直流电压；

（2）K1+、K1- 通道一控制，闭合时开启，断开时停止；

K2+、K2- 通道二控制，闭合时开启，断开时停止；

K3+、K3- 通道三控制，闭合时开启，断开时停止；

K4+、K4- 通道四开启，闭合时开启，断开时停止；

K5+、K5- 通道五开启，闭合时开启，断开时停止；

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

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

（5）指示灯POW1、POW2分别指示内部两路隔离电源的工作状态；点亮表示工作正常。指示灯K1、K2、K3、K4、K5指示相对应的开关状态，点亮时表示接通。

（6）测试按扭S1，按下时K1、K2、K3、K4接通，相对应的指示灯点亮。

3.3 通迅协议设置

（1）通道1、通道2输入指令33A6同时控制K1、K2、K3、K4接通时间一秒，相对应的指示灯亮。

（2）通道1、通道2分别输入指令33A1、33A2、33A3、33A4、33A5，分别控制K1、K2、K3、K4接通，接通时间一秒，相对应的指示灯亮。

（3）单片机上电开启或热启动时，通过RS232通道1返馈信息66 D9 20 13 06 15。

（4）S1键盘按下后立即释放，测试K1、K2、K3、K4开关性能，接通时间一秒，相对应的指示灯亮，同时通过RS232通道1返馈信息66 DA A1 A2 A3 A4。S1键盘按下保持时间超过2秒以上时，测试K1、K2、K3、K4、K5开关性能，接通时间一秒，相对应的指示灯亮，同时通过RS232通道1返馈信息66 DA A1 A2 A3 A4A5。

（5）通道1、通道2在超过24小时后，无任何通迅时，关机复位。

（6）系统受干扰频繁通迅时，关机复位。

（7）168小时（一周）后同时收到关主机的命令“30H”后，关机复位。

4 产品测试

（1）插入好测试插座（测试插座图纸R232TEST.S01），接入+5V电源，观察指示灯状态，POW1、POW2常亮，RUN省烁。观察电流消耗应小于200mA。

（2）测试端与电脑串口连接，打开串口调试软件（见图）。

设置波特率为9600bit/S，校验位：PNone，数据位8，停止位为1，十六进制收发及显示，做以下操作：输入指令33后，系统复位，接收窗口应能接收到字符66 D9 20 13 06 15。发送十六进制任意字符（33以外），接收窗口应能接收到同样的字符。输入指令33A6后，K1、K2、K3、K4点亮1秒后熄灭。输入指令33A5后，K5点亮1秒后熄灭。

（4）S1键盘按下保持时间超过2秒以上时，K1、K2、K3、K4、K5相对应的指示灯亮一秒后熄灭，接收窗口应能接收显示66 DA A1 A2 A3 A4 A5。

（5）通过以上测试，产品合格。

5 结语

根据本设计理论分析与实验表明：从对云台控制器的实例应用来看，本文所采用的原理和方法是正确的，达到了题目设计要求。本设计的信息通讯只能完成单向的数据传输和控制等基本功能，系统设计比较简单。因此，本设计可在多方面进行充实和完善。

参考文献：

[1] 肖海荣光电隔离的RS-232串行接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2001，（8）：38.

[2] 幸国全单片机系统的光电隔离式RS-232接口设计[J].测控技术，2001，20（1）：62.

[3] 南华大学基于RS485的远程采集与控制系统的设计[D].毕业论文，2013.

[4] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990

[5] 杨将新.单片机程序设计及应用从基础到实践[M].北京：电子工业出版社，2006.

*通信作者：胡彬