分布式测控系统通信卡的研制

随着数字技术的发展，以计算机为站点的分布式系统在工程中得到日益广泛的应用。例如分布式目标监控系统，数据采集系统以及工业自动化系统等，这些系统的各站点需要向主机或互相之间进行数据的交换及通信。
目前，有些系统的站间通信仍然采用异步串行通信方式中的RS-232C接口标准和比较老的电流回路等。采用这种信号传输方式，随着信号传输距离的增加和速率的提高，传输线上的衰减、共地噪声等干扰的影响会显著加强，从而引起信号的畸变，由此限制了通信距离和传输速率。而在工程上的长距离通信应用中，RS-485接口标准有其独特优势。该标准采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，而且灵敏度高，能检测出低至200mV的电压，所以传输信号能在千米以外得以准确恢复；并且以此标准只用一根双绞线就可以实现多站联网，构成分布式系统的设备简单、价格低廉，故能在工程项目中得到广泛的应用。
现今市场上已有应用于网络通信、DCS或PLC系统的RS-485通信卡产品，但一般价格较高，且硬件内部对系统设计者不开放，所以作者研制了一个便于系统设计者使用的通信卡，该卡的硬件设计开放，使用者可以对其进行灵活方便的编程，且适用于多种工业环境。以下介绍该卡的研制开发过程。
2通信卡的总体设计
2.1要求
在分布式测控系统中，通信卡主要用于测控下位计算机与上位计算机的数据交换。分布式系统中的一个上位机要带多个远程测量单元，因此首先在通信距离上不能少于500米。其次，在构成通信网时，站与站之间可能会有很高的共模电压，而且传输线要经过工业现场，有可能会受到强大的干扰，因而通信卡必须要有很好的抗干扰能力。另外，通信线路还有可能经过某些特殊环境，如电厂、变电站、架空等等。实践表明，在这些环境里通信线上有时会寄生强静电，还有可能遭受雷电感应袭击，这种瞬间干扰对通信卡以及上、下位计算机的破坏都是具有毁灭性的，因此必须设计出周密的保护方法。当然，通信卡的成本不宜太高，而且在组成分布式通信网时越简单、越廉价越好。
2.2方案
通信卡总体框图如图1所示。
方案的核心部分是可编程异步串行通信接口芯片8250，在经过与PC总线进行I/O扩展之后，8250能够读写总线上的并行数据，并可在程序的驱动下将这些数据以串行方式输入输出。输出的是TTL电平的串行信号，再经过光电耦合电路，实现信号的电气隔离，然后由RS-485收发器将这个信号变换成差分信号发送。通信卡上还有RS-232收发器，这主要是考虑到在某些特殊场合，需要与有RS-232接口的仪器交换数据而设计的。
3主要电路的实现及原理分析
3.1总线扩展及板号发生电路

图1通信卡组成框图
图2为通信卡的总线扩展及板号发生电路。图2的左半部分为IBM-PC/XT系统的I/O扩展槽，具有62个引脚，常称为PC总线或XT槽。XT槽的62个引脚分布在两面，分别标注为A1～A31和B1～B31，其中A面对应扩展卡的元件面，B面对应扩展卡的焊接面，引脚的标号从机箱的后部起始。引脚间距（中心距离）为1/10英寸，即2.54mm。XT槽的62个信号包括时钟与复位信号，20条地址线，8位双向数据线，存储器和I/O读写控制线，6个中断请求线，3个DMA总线请求线，各线均为TTL电平。此外，还有4组电源和地线等。

图2 板号扩展及板号发生电路
图2右半部分为通信卡与PC总线接口部分的电路。图中地址译码器74LS138的3个使能端

、

、E3分别接到PC机地址总线的A4、A5、A9，所以只有当A4、A5、A9分别为0、0、1时译码器才能工作。译码器的3个输入端C、B、A又分别接至A6、A7、A8，于是如表1所示当译码器工作时，A6、A7、A8为001时，输出

选中（300～30FH）地址，为101时输出

选中（340～34FH）地址。

是给8250和数据总线缓冲器74LS245提供片选；

给板号缓冲器提供片选。另外将3个低位地址A0、A1、A2直接接到8250的A0～A2，

（I/O接口读使能）接到缓冲器的方向控制和8250的

（读使能），

接到8250的DISTA（写使能）。这样计算机就可以寻址访问8250的内部寄存器，可以对扩展口进行读写。注意这种接口译码方式要避免与PC机固有地址冲突。PC机的地址分配见表2。


3.2可编程异步通信接口INS8250
INS8250是可编程的异步通信接口芯片，它的引脚及接线如图3所示，主要性能如下：
（1）完全双工、双缓冲器发送和接收的异步通信接口电路。
（2）通信波特率：50～9600，共分为50种。
（3）每字符可传5～8位。
（4）停止位可编程选择为1、1.5和2位。

（5）可产生中止字符（输出连续低电平，以通知对方中止通信）。
（6）可进行奇偶校验，可选择奇校验或偶校验。
（7）出错检测，具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。
（8）片内具有优先权中断控制逻辑，具有很强的中断控制功能。
简而言之，该电路可以在程序的控制下，把数据总线上的并行数据按设定从SOUT端串行发出，或把SIN端的串行数据按设定接收并变为可被总线读取的并行数据。至于芯片的内部结构及详细的程序控制方法，请参看参考文献1。