随着计算机控制技术的发展，各专业公司推出了许多种总线型的工业控制卡，其中，大多数都是ISA及PCI并行接口的。虽然，这些I/O控制卡的速度快，实时性也高，但在很多控制系统中不太适用。原因有三个方面，其一是这些卡的操作复杂，灵活性不太好，使用卡的人必须编制相应的驱动程序去控制卡的运行，而且在Windows界面下的编程也很复杂；其二，各种I/O控制卡的价格昂贵；其三，大多数PC提供多种插槽，但那些超薄型计算机，如便携式电脑和嵌入式电脑并没有控制卡的空间和扩展槽的位置，故不能用这些电脑实现I/O卡控制。本文介绍一种含RS-232接口的I/O板卡，将计算机串口进行二次开发，用于工业现场控制系统，代替控制卡的作用，并提供相应的驱动程序，具有成本低、操作简单、兼容性好等优点。
系统功能简介
本I/O卡主要用于需要采用计算机在工业现场进行控制的场合，主要功能如下：提供11路12位的A/D转换、4路12位的D/A转换、16路带光电隔离的开关量输出、16路带光电隔离的开关量输入及1路16位计数器输入；提供一个带光电隔离的RS-232接口，上位机（通常指PC）能通过此端口对本卡上所有的资源进行控制与读入；另扩展一片8255，其PA、PB口作为输入端用，PC口作为本控制卡的一些设置，如用它作为波特率等的设置；本卡还可由DS12C887完成日期、时间、星期的设置、调整和输出。本文主要就系统硬件电路的设计（包括地址译码）及软件设计（通讯协议为主）来对系统的功能进行描述。
硬件电路设计
本控制卡原理框图如图1所示。其中，微控制器采用美国ATMEL公司的AT89C51，它内部有4K的程序存贮器，可以为本板卡节省空间，同时扩展一片数据存贮器62256芯片（32K）及X25045（512×8bits）看门狗电路构成基本的单片机系统。考虑到在一般的工业控制系统中，由于对A/D、D/A转换的速度不太高，所以本卡中的A/D转换采用TLC2543，它是TI公司生产的带串行控制的11路12位A/D转换器件，能对0~5V信号进行12位转换；D/A转换器采用TI公司的双路12位串行接口的D/A转换芯片TLC5618。为了适合更多的工业控制要求，本控制卡目前使用了两片TLC5618，共可以输出4路模拟量。为了提高抗干扰能力，对输入输出端口采用TL521-4进行光电隔离。RS-232接口采用MAXIM公司的MAX232芯片作为电平转换，实现单片机的TTL电平与计算机的RS-232电平的转换。同时为了提高整个系统的工作稳定性，对RS-232通讯口进行光电隔离。由于系统通讯速度可能要求比较高，所以采用了高速光耦6N137作为隔离元件，同时增加一个DC-DC变换器，产生隔离电源，供隔离后的电路使用（如图2所示）。在本卡中，P1用于对一些串行接口的芯片进行控制，为了节省口线，对公共的CLK、DI、DO线公用，组成一条串行总线系统，P13、P14、P15、P16分别为各芯片的片选信号。具体接法如图3所示。
本控制卡由ATF16V8可编程逻辑芯片负责地址译码。62256地址为0~7FFFH，其片选信号直接接地址线A15。8255基地址FF00H，其片选信号CS=A8+A9+A10+A11+A12+A13+A14+A15;2片输出口扩展74LS377地址分别为FB00H和FC00H，其片选信号为CS1=A15+A14+A13+A12+A11+A10+A9+A8;CS2=A15+A14+A13+A12+A11+A10+A9+A8。
软件设计
本卡软件采用C语言设计，串行口的接收采用中断方式，串口发送采用查询方式，当收到一个完整的指令后，由中断程序置一标志，主程序检测到这一标志后，对收到的指令进行处理，主程序框图如图4所示。
为了本控制卡使用方便，我们制定了一套较为完善的通讯协议。协议规定每一条指令或返回数据由以下几部分组成。
第一字节：为一帧数据的长度，以字节为单位，指第二字节到最后一个字节的字节总数。
第二字节：一个表示数据或指令类型的ASCII码，“D”表示开关量，“A”表示模拟量，“T”表示计算返回的值。
第三字节：一个表示输入输出类型的ASCII码。“O”表示输出，“I”表示输入。
最后字节：表示除第一字节和最后一字节外的校验和，取低8位。
中间的其余字节为数据内容，表示模拟量时为模拟量的二进制值，表示开关量时为开关量的状态。在通讯时，接收方如正确接收则返回1AH，否则返回1CH，请求重发。具体的指令设置包括有以下几种情况：
读开关量状态格式：字节数 “D”“I”；响应：字节数 “D” “I” “FFFF”，其中，FFFF为2个字节，分别对应16路开关量的状态，为“1”时表示有电压输入。
写开关量状态 格式：字节数“D”“O”“N”“M”；响应：无；N（00H~0FH）表示通道号；M表示状态，0表示无输出；当N=FF时，表示对所有通道进行操作，此时M为16位（两字节）。
读A/D 格式：字节长“A” “I” “N”；响应：字节长 “A” “I” “N” “FFFF”；N为A/D通道号；FFFF为双字节，是A/D转换的结果，高4位在前，低8位在后。
写D/A格式：字节长 “D” “I” “N” “FFFF”；响应：无；FFFF为双字节，是D/A转换的结果，高4位在前，低8位在后。
读计数器 格式：字节长 “T” “I”；响应：字节长 “T” “I” “FFFF”；FFFF为计数结果。
启动计数功能 格式：字节长 “T” “S”；响应：无，在此协议的基础上，我们还可以设置一些其它指令，但需要在控制卡运行相应的程序。
应 用
本控制卡价格低廉，使用方便，无需打开计算机装卡。这样，在工业控制现场，用一台笔记本电脑就可以很方便地调试系统，且可以利用许多现成的串口通讯控件，如VB中的MSCOMM控件，VC中的Microsoft Communication Control这一Active类控件来很方便地编写应用程序。