MCS_51单片机的多机通信方式研究

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与 信息发展
MCS-51 单片机的多机通信方式研究
□
摘
叶
佩
湖北・武汉 430065）
（武汉工业学院工商学院信息工程系
要：多机协同工作已是单片机发展的一个重要趋势， 目前单片机多机通信的主要方式仍然是主从式多机通 信系统， 本文在研究传统的多机通信系统的基础上， 设计了一种基于 89S52 芯片的多机通信系统， 实验显示， 该 系统的通信性能较好。 关键词：单片机 多机通信 中图分类号：TP39 RS-485 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2009）12-058-02 一种基于 RS-485 的单片机多机通信系统，该系统的拓扑图 如图 1 所示。
控制寄存器 TCON：
本文在参考传统的单片机多机通信系统的基础上，对基 于 RS-485 的 89S51 单片机的多机通信系统进行了设计， 通过 实验显示，本系统可以在较远的距离内进行主从机的数据通 信， 稳定性和可靠性也比较强。另外， 本系统可以适用于大部 分的 8 位单片机处理，也可以推广到其他的同规格的单片机 多机通信系统。虽然如果添加更多的控制命令，比如工作状 态调整、 发送或者接收暂停、 从-从通信等可以使系统功能进一 步增强， 但考虑到流程实现将进一步复杂。在现有的需求下， 本系统具有其较强的应用价值，但如何在不降低通信质量和 稳定性的前提下增强通信系统功能和减少流程复杂度将是下 一步需要研究和解决的问题。 参考文献： [1] 国兵等.单片机原理与应用[M].天津大学出版社,2008. [2] 李荣正,刘启中,陈学军.PIC 单片机原理及应用[M].北京: 北 京航空航天大学出版社,2005. [3] 彭宗乾. MCS-51 单片机多机通信的组成原理及通信程序 [M]. 通讯与电视,1992, 2. [4] 禹言春,张丽丽,王贺涛. 单片机的多机通信[J].安徽农学通 报, 2007, 13(9): 157-158. [5] 韩淑玲,鲁昆生. 主一从互控式 MCS 一 51 单片机多机通 信[J], 工业控制计算机, 1993.4 [6] 陈斌. 基于 RS-485 的单片机多机通信技术[J].嵌入式系统, 2005.7 [7] 周锦荣,周小方等. 单片机的多机无线短信通信系统设计[J]. 应用天地. 2008.7 .
单片机作为微型计算机的一个分支， 具有功能强、 体积小、 应用灵活等诸多优点， 在工业控制、 仪器仪表、 通信、 家用电器 和国防科技等各个领域得到广泛的应用。随着集成电路技术 的不断发展， 单片机的性能也在不断的提高， 其应用的范围必 将越来越宽广。然而， 随着单片机在工业自动化控制、 智能仪 器仪表中的广泛应用， 单机已经逐渐不能满足需要， 多机协同 工作已经成为一个重要的发展趋势，多机应用的关键就在于 多机之间的互相通讯、 互传数据信息。 1 单片机多机通信的系统结构 目前， 单片机多机通信的方式可以分为星形、 环形、 串行总 线型和主从式多机型四种。 而其中又以主从式多机通信最为 普遍。 在单片机之间， 或者单片机与 pc 机之间的串口通信方 式有 2 种选择， 一种是直接采用单片机中自带的串行口进行 通信， 但这种方法抗干扰能力非常差， 传输距离也十分有限。 另一种方式是采用标准串行总线接口的形式，如 RS-232C, RS-449,RS-422,RS-423 和 RS-485。传统的方法一般是采用 RS-232C 作为总线接口， 但目前， 由于 RS-485 所具有的强抗 干 扰 能 力和 其 在 传 输 速 率 和传 输 距 离 方 面 的 优 势，基 于 RS-485 的单片机多机串行通信的方式也被广泛研究和使用。 RS-485 是一个电气接口规范,它只规定了平衡驱动器和接收 器的电特性,而没有规定接插件、 传输电缆和通信协议.RS-485 标准定义了一个基于单对平衡线的多点、 半双工通信链路,是 一种极为经济、 并具有相当高的噪声抑制、 传输速率、 传输距 离和宽共模范围的通信平台.RS-485 网络的传输距离能够达 到 1 200m, 一条 RS-485 总线可以带 32 台设备 (控制器 ). RS-485 和 RS-232 的基本通讯机理 (是一致的,它的优点在于 弥补了 RS-232 通讯距离短,不能进行多台设备同时进行联网 管理的缺点。由于单片机的输入、 输出电平为 TTL 电平, 因 此实现 RS-485 总线的长距离通信,必须进行电平转换。 我们 将 RS-232 电平转换为 TTL 电平， 然后通过高速光电耦合器 （6N137） 直流电源转换器进行了信号隔离， 、 再通过 SM75176 芯 片 将 隔 离 信 号 转 换 成 符 合 RS-485 标 准 的 信 号，由 于 RS-485 是半双工通信， 所以必须有一个信号来控制通信口状 态是收还是发， 电路中的 “收发控制器” 通过采集数据线的状 态， 从而实现收、 发控制， 完成单片机的 TTL 电平与 RS-485 的电平转换。本文以 51 单片机中的 89S52 芯片为例，设计
—— 科协论坛 ・ 2009 年第 12 期 （下） ——
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该寄存器中的 SM2 为多机通信控制位， 主要运用于有多 个从机的情况， 一般工作在方式 2 或者方式 3 下。 并且 SM2 和 RB8 必须配合使用， 一般的使用方法是， 平时使 SM2=1， 只 有当接收到的 RB8=1 时， 才将前 8 位的数据送入 SBUF 寄存 器， 并产生中断请求， RI 置 1； 将 如果接收到的 RB8=0， 则将这 1 帧数据丢弃。如果 SM2=0， RB8 为奇偶校验位。为此， 则 设 计该寄存器的值如下：REN=1——允许接收；SM0SM1=11 ——选择串行通信口工作方式 3，TB8=1——发送地址标志， RB8=0——接收数据标志。 由于在串行通信中， 需要用到 T1 作为波特率发生器， 而 在控制周期的时候需要用到 T0 作为定时器， 因此， 还需要设 置与定时器/计数器相关的寄存器 TMOD 和 TCON。其各位 的值如下： 控制寄存器 TMOD：
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Hale Waihona Puke 2 系统的网络协议 在制定单片机多机通信协议时， 考虑到 89S51 芯片所具 有的内存较小， 接口有限的特征， I/O 经过综合的分析， 制定 主机与从机通信的发送和接收间隔为 1/384s。为主机设置 一个标志位， 假设从机数目为 n， 当主机访问次数大于 n 时， 该位自动置 1。主机与从机通信时， 每一次都会有一个查询 和确认过程，当发送方发送信息以后即发送一个询问数据 包， 同时， 接收方每一次接收到一个信息即发送一个接收确 认数据包， 在此过程中， 如果发送方在一定时间内没有接收 到确认数据包， 则会自动重发一次， 如果重发数次 （一般设置 为 2-3 次） 仍然在时间内无法接收到确认数据包， ， 则发送方 会放弃对该从机的通信， 并对特定标志位置 1 显示。 如果检 测到总线空闲， 从机会分配其使用时间片， 在这个时间内， 如 果数据未发送完成， 主机也会停止对该从机的通信， 如果通 信成功， 从机需要对主机发送确认数据包， 并归还总线的使 用权。 3 系统的程序设计 CPU 与外设进行数据交换有两种方式， 即查询方式和 中断方式， 但中断方式占用 CPU 资源较少， CPU 效率更高， 更适合于实时控制系统，因此在现代计算机系统中被广泛 使用。在初始化部分，需要考虑到各控制寄存器的设置问 题。 89S52 芯片的串行口寄存器 SCON：
4 系统稳定性设计 在实际系统设计中， 要保证数据传输的可靠性, 离不开硬件和 软件的协调工作。 为保证数据传输的准确性,在软件设计时也 必须采取一定的措施。首先是提高数据校验功能，实验显示 在数据传输过程中采用 CRC 校验方式， 大大降低了数据传输 出错率。其次， 可以在上位机、 下位机都设有软件看门狗， 以 防止死机造成通信端口操作错误、发生总线冲突使整个系统 的通信瘫痪无法正常工作。再次， RS-485 总线只制定了物理 层电气标准， 对上层通信协议没有规定， 这给设计者提供了很 大的灵活性。最后， 由于电子器件的原因， 也容易造成系统的 不稳定， 因此， 可以设置过流保护装置和过热保护装置， 当通 信线路异常短路致使处于输出状态的 MAx485 输出端短路时， 保护电路起控， 限制短路电流为 100mA 左右； 当芯片本身温 升过高时， 内部热关断电路强迫输出， 进入高阳状态， 即芯片 越热， 内阻越大， 输出短路电流越小。另外， 制定一套完整、 结 构简单、 功能完备的通信协议， 对提高通信的效率和可靠性也 是非常重要的。 5 小结
本系统作为主从式多机通信方式，主机和从机的程序不 同， 可编写主机流程图如图 2 所示。
图2
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