基于PC机和单片机主从式测控系统设计研究

曹 森，戚凤华

（南京晓庄学院，江苏 南京 210017）

摘 要：在测控系统的设计上，很多系统的PC机只能控制一台下位机，从而导致了PC机资源的浪费.而利用PC机和单片机进行主从式测控系统的设计，则可以使这一问题得到解决.本文基于PC机和单片机进行了主从式测控系统的设计，并从系统结构、硬件设计和软件设计这三个方面对系统电路原理和实现方法进行了分析，对系统的通信问题进行了研究.

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关键词 ：PC机；单片机；主从式测控系统；设计

中图分类号：TN741 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2015）05-0025-02

在计算机技术和网络技术不断发展的情况下，由PC机和单片机构成的测控系统已经得到了广泛的应用.一方面，该类系统拥有来自于PC机的高性能的软件功能.另一方面，在数据采集和图形处理方面，该类系统又拥有单片机的实时数据采集和处理的优势.所以，在测控系统设计中进行PC机和单片机的应用，已经成为了测控技术发展的一个方向.

1 基于PC机和单片机的主从式测控系统结构

从本质上来讲，基于PC机和单片机的主从式测试系统是建立在485总线型网络的基础之上.在系统中，PC机在利用串行口控件的同时，也需要利用RC-232C来完成通信.而在进行RS-232C和RS-485总线标准的转换时，则可以利用MAX232、MAX485芯片来实现[1].此外，在进行RS-485总线与下位单片机的连接时，同样也需要MAX485芯片来完成.所以，从系统的结构上来看，系统包含了上位PC机部分、RS232接口电路部分、带光电隔离RS232/485转换电路、RS-485总线型通信网络部分和下位机单片机部分.首先，上位PC机作为系统的主控机，需要被放置在中央控制室.而当上位机需要向下位机发达指令或接收其反应时，则需要利用软件的串口控件和硬件的R232C接口来实现通信.此外，系统上位机还要实现人机交互，从而使用户更加方便的进行系统的操作[2].其次，系统上位PC机采用的通信接口为RS-232C，系统下位单片机使用的是TTL逻辑电平.所以，想要实现系统间的通信，就需要利用MAX232芯片进行接口标准的转换.再者，系统的RS232/485转换电路由芯片和光电耦合器组成，而系统的总线型通信网络则为主从式微机网络.因为，利用RS-485总线实现系统通信，可以使系统具有较强的抗干扰能力，并且能进行远距离的通信.最后，系统的下位机是由8051单片机为核心，并进行信号显示、键盘和时钟电路等外围电路的配置.

2 系统的硬件设计

在进行系统的硬件设计时，需要以系统的结构为依据，重点进行重要环节的电路设计.首先，在进行RS232接口电路的设计时，要进行其主要功能的实现，既PC机与外部连接设备的电平转换.而由于拥有全双工的串行通信口，8051单片机可以与PC机进行串口通信.但是，由于PC机串口为RS232电平，单片机串口为TTL电平，所以还需要利用MAX232芯片进行电平和逻辑关系的转换，从而实现系统的通信.其次，在进行RS232和RS485转换电路的设计时，则需要采用RS-485总线标准[3].而为了实现系统的通信，则要利用MAX485芯片将TTL电平转换为485电平.但值得注意的是，为了使系统具有更强的抗干扰能力，还要在MAX232芯片和MAX485芯片间加入单向传输的光电耦合电路，从而避免输出端的干扰信号反馈到输入端.再者，在进行RS-485总线型网络电路的设计时，则要采用主从式结构.具体来说，就是使上位机进行系统的通信控制，并不允许下位机主动进行指令或数据的发送.而这种电路设计，可以使系统的每一个发送器驱动进行多个负载设备的连接的同时，又可以避免系统遭到其他设备的干扰.此外，系统的下位单片机电路设计则要保证MAX485的DE端电位为“0”.因为，系统的PC机与下位机之间的通信线路一般要长达几百米，所以二者之间的通信状态并不统一，因此容易出现通信的困难.而保证8051单片机在复位时的I/O口输出为高电平，则可以实现系统的通信.最后，在进行系统供电电路的设计时，要利用直流稳压电源来进行供电[4].而该电源主要由电源变压器、整流、滤波和稳压电路构成，可以维持直流稳定的电压的输出.

3 系统的软件设计

在进行系统的软件设计时，可以利用串口控件MSComm来进行PC机和单片机通信的实现.因为，该控件不仅能够进行串行通信的数据发送和接收的设置，还能设置串口状态和串口信息格式.

3.1 上位机软件设计

在进行上位PC机软件的设计时，可以利用MSComm通信控件来进行数据的接收和发送.而进行该种控件的应用，就可以使用户不必进行通信底层的操作，从而实现与下位机的直接通信.由于系统本身是主从式的测控系统，所以可以采取主机查询、从机中断的通信方式进行通信的实现.在系统进行通信的过程中，需要进行地质信息的识别和输入，并且需要采用轮询的方式进行通信.具体来说，就是只有在PC机访问从机时，从机才能有所反应，而其余时间从机则要保持在等待串行中断的状态[5].此外，在数据传输的过程中，PC机还要查询各个单片机端口.而单片机则要保持监听状态，从而及时进行指令的接收.

3.2 下位单片机软件设计

在进行单片机的软件设计时，要采用中断方式进行数据的接收和发送.具体来说，就是以定时器T1为波特率发生器，在波特率与PC机一致时，单片机则可以利用串行口完成数据通信.而为了保证PC机始终只与一台从机进行通信，下位单片机只能在PC机发出与自身地址码一致的地址时，才能向PC机发送应答信号.此外，单片机程序应由下位机主程序和中断程序两部分构成.其中，下位机主程序不仅要进行数据的初始化，还要完成数据的传输工作.而中断程序则要辅助进行数据的传送，并实现下位机和主机的连接.

3.3 数据库设计

在进行数据库的设计时，要保证数据的存储管理更有效率.而系统的数据库只是进行下位机发送数据的存储的，所以数据量相对不是很大.因此，可以利用Microsoft Access格式的数据库系统进行数据的存储和处理[6].而该数据库不仅具有结构简单和灵活等特点，还便于用户进行数据库的管理和使用.在进行数据库应用的时候，可以利用数据访问对象、远程数据对象和ActiveX数据对象来进行数据的访问.而数据库的访问方法则为数据控件法，既利用Ado Data控件进行数据库的操纵.

3.4 系统界面的设计

进行系统界面的设计，是为了更好的方便用户进行系统的使用.所以，在进行系统界面设计时，要尽量使用便于用户掌握的编程语言，从而方便用户的使用.而利用Visual Basic6.0开发软件进行系统界面的设计，则可以进行适用于Windows环境的应用程序的编写，从而在节省设计者的大量时间.从内容上来看，系统的界面包含了密码确认界面、主操作界面、参数设置模块、程序说明模块、CRC运算模块和查询模块这六部分.其中，密码确认界面需要用户进行密码的输入，从而进行用户身份的确认.主操作界面则需要进行接收显示、文件传输、菜单和主要功能的按钮的设置，从而方便用户进行系统功能的选择.参数设置模块的设计则可以进行通信时的串口号、波特率和停止位数等参数的设置，从而使系统程序适用于各种工作情况.程序说明模块则是用来进行串行通信程序相关信息的显示，从而便于用户进行软件的了解[7].而由于系统通信的过程可能会出现数据错误，所以需要利用校验码进行数据的检测.而CRC运算模块则可以为用户提供检测数据的操作，从而使用户进行数据的确认.此外，界面设计部分还包含查询模块，既可以为用户提供查询数据来源、时间、传输情况等信息的操作界面.

总而言之，基于PC机和单片机的主从式测控系统不仅具有单片机集成度高、控制能力强和系统结构简单等优点，还具有PC机在处理数据、图像处理和网络通信等方面的优点.所以，设计者想要进行主从式测控系统的设计，就可以进行PC机和单片机的利用，并利用MAX232芯片和MAX485芯片来进行系统通信的实现，从而更好的进行系统的应用.

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参考文献：

〔1〕胡中功，黄波，江维.基于RS485总线的PC与单片机多机通信系统设计[J].自动化与仪器仪表，2012,01（01）：30-35.

〔2〕王士争.主从通信模式下即插即用技术的研究和实现[D].南京邮电大学，2012.

〔3〕史媛芳.PC机与C51单片机的串行通信研究[J].电脑知识与技术，2014，36（10）：810-817.

〔4〕焦向峰.基于单片机的齿轮角度测控系统设计[J].智富时代，2014,12（01）：158-160.

〔5〕张聪.一个通用测控系统的设计与案例定制[D].北京邮电大学，2012.

〔6〕周先辉，毛翠丽，王长河.基于STC12C5A与PC串口通信的温度测控系统开发[J].南阳理工学院学报，2012，04（04）：52-55.

〔7〕何青，胡汉春，代刚.基于RS-485总线的PC机与单片机串行通讯仿真系统的设计[J].机电产品开发与创新，2011,01（24）：27-28.