1 前言
在許多巡檢系統工程應用中，往往需要計算機與多個單片機實現遠距離多機雙向通信。在計算機為上位機，單片機是下位機的情況下，目前通用的方法是采用RS-485協議，要求芯片通常都具有抗靜電干擾、節點多、通信速率高等優點。然而，在筆者設計的幾個系統中所使用的多種類型的RS-485、RS-422協議的芯片卻都無一例外的特別容易損壞，輕則封裝表面出現局部燒黑，重則爆裂，以致于整個系統癱瘓。在鄭州車輛段脫軌器微機監控系統中，設計時用1臺計算機作為上位機，23個股道的單片機（89C51）作為下位機。系統卻在空凋開關、日光燈短路等現象出現時造成芯片不同程序的損壞，幾乎每個月都要更換通信芯片20余片，設計者采取了多種保護措施，依然沒有解決問題。并且，離上位機距離最近的幾個總是最選損壞。
1999年初，新鄉三瑞電子技術有限公司精心研制了一種高可靠性、遠距離、多機、分時雙工串行通信芯片SR331" title="SR331">SR331，并由中國臺灣加工生產。該器件的最大特點是可能、穩定。SR331利用20mA電流環" title="電流環">電流環、光電隔離、多機通信" title="多機通信">多機通信原理有效地實現了復雜電磁環境下的多機通信，在通信距離為1000m時，通信速率達9600bps，而其下位機沒有數量限制。
2 SR331芯片介紹
SR331是遠距離通信芯片，其主要特點是：可靠性高（這正是研制SR331的初衷）和對下位機數量沒有限制。
SR331采用的電源電壓為5±0.5V；并采用TTL電平，它的RxD和TxD直接與單片機（如AT89C51）連接；其MTBF大于100萬小時；工作溫度范圍為-30～+70℃。SR331采用8腳DIP封裝，其管腳排列如圖1所示。各引腳的功能定義如下：
1腳：T+，發送正端；
2腳：T-，發送負端；
3腳：RxD，接收端，接本地CPU的RxD；
4腳：GND，接地，通常接本地CPU的地；
5腳：R-，接收負端；
6腳：R+，接收正端；
7腳：TxD，發送端，接本地CPU的RxD；
8腳：Vcc，+5V的電源端，接本地CPU的Vcc。
3 點對點串行雙工通信
利用20mA電流環、光電隔離實現計算機與單片機點對點通信的原理在其它文獻[1]中介紹較多，這里不再敘述。
采用SR331實現1臺計算機與1個下位機串地通信的原理圖如圖2所示，計算機使用標準串行口COM1，單片機選用89C51。
MAX232用來實現計算機的標準串行口COM1所輸出的RS-232信號電平與TTL電平之間的轉換。計算機串行口X1-TxD腳的常態為-12V，D1的9腳輸出低電平（0V）到SR331的D2的TxD腳，此時，環路A[(8V)→（R1）→（RP1）→（D3的R+腳）→（D3的R-腳）→（D2的T+腳）→（D2的T-腳）→GND（上位機端）]無電流通過，D3的RxD腳輸出高電平（+5V）送給單片機90C51；而當計算機發送信息的起始位時，X1的TxD腳輸出為+12V，D1的9腳輸出高電平（+5V）到SR331的D2的TxD腳，此時，環路A有20mA的電流通過，D3的RxD腳輸出低電平（0V），從而實現上位機到下位機的通信。
當單片機89C51KD4中TxD腳的常態為高電平+5V時，環路B[8V]→(R2) →(RP2) →(D2的R+腳) →（D2的R-腳）→（D3的T+腳）→（D3的T-腳）→GND（上位機端）無電流通過，此時D2的RxD腳輸出的高電平（+5V）經MAX232轉換為-12V送給計算機；在單片機發送信息的起始位時，D4的TxD腳輸出為低電平0V，環路B中有20mA電流通過，D2的RxD腳輸出低電平（0V）并經MAX232轉換為+12V送給計算機，從而實現下位機到上位機的通信。根據通信距離的遠近調節RP1和RP2可以使環路A和環路B中的電流為20mA。
4 多機主從式分時雙工串行通信
計算機與單片機的通信除點對點的通信以外，在許多現場控制中，還會出現一機對多機或多機間的通信。下面介紹以計算機作為上位機，多個單片機（89C51）作為下位機的串行通信設計方式。該設計要求下位機要服從上位機的調度和支配，即單片機的通信方式要使用串行口通信方式2，也就是利用第9位。通信各方約定如下：
上位機向下位機發送地址信息時，其第9位必須為1，當向下位機發送命令時，其第9位必須為0。
圖3所示為上位機與多個下位機進行分時雙工串行通信的電路原理圖。當上位機通過SR331向下位機發送地址、命令時，每個下位機通過SR331都能收以。在下位機處于監聽狀態時，置SM2=1。當確認是本下位機地址時，置SM2=0，以準備接收命令。然后向上位機回送信息。每個下位機均可單獨向上位機發送信息。平樣就實現了上位機與多個下位機的分時通信。
5 結束語
為了解決多機遠距離通信的可靠性問題，新鄉三瑞電子技術有發公司才下決心研制SR331，可喜的是：SR331具有出人意料的高可靠性，并且環境適應能力強，無須中繼，同時對下位機的數量沒有限制（太多時，在電阻R1前使用較高電壓即可）。雖然，為了提高可靠性犧牲了部分通信速率，但9600bps對于一般巡檢系統已經足夠。目前，SR331已經成功應用于鄭州車輛段脫軌器微機監控系統（具有29個下位機）、新鄉車輛段脫軌器微機監控系統（具有12個下位機）、新鄉車輛段列車試風微機監控系統（具有4個下位機）、洛陽車輛段脫軌器微機監控系統（具有12個下位機）、洛陽車輛段空氣壓縮機微機監控系統（具有4個下位機）等系統中。現在，投入實現運行的300多片在連續工作500天后無一損壞。由此可見，SR331具有極高的可靠性。