單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信的資料和程序

在單片機(jī)多機(jī)通信過(guò)程中，PC機(jī)將指令打包后發(fā)給智能接口單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主單片機(jī)）。主單片機(jī)收到完整一包后將包解開(kāi)，按對(duì)每個(gè)從機(jī)的指令分別發(fā)送，同時(shí)將各從機(jī)發(fā)給PC機(jī)的指令送給PC機(jī)。由于64個(gè)從機(jī)和主單片機(jī)使用同一串口通信線(xiàn)，為避免發(fā)生沖突，主單片機(jī)處于主動(dòng)狀態(tài)，按一定的定時(shí)間隔與每一臺(tái)從機(jī)順序通信。主單片機(jī)在與每一臺(tái)從機(jī)通信過(guò)程中先發(fā)送地址，從機(jī)收到地址后若與自己的地址一致，則繼續(xù)接收主單片機(jī)發(fā)來(lái)的一個(gè)字節(jié)的命令碼，從機(jī)收到命令后，將自己的一個(gè)字節(jié)的命令發(fā)送到主單片機(jī)。主單片機(jī)完成與64個(gè)從機(jī)的通信需要64個(gè)定時(shí)間隔，只要定時(shí)間隔足夠短，主單片機(jī)與從機(jī)基本上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。在整個(gè)通信過(guò)程中，主單片機(jī)起著通信樞紐的作用。

單片機(jī)多機(jī)通信過(guò)程安排如下：使所有從機(jī)的SM2位置1，處于只接收地址幀的狀態(tài)；主機(jī)發(fā)送一幀地址信息，其中包含8位地址，第9位為地址、數(shù)據(jù)標(biāo)志位，第9位置1表示發(fā)送的是地址；從機(jī)接收到地址幀后 ，各自將所接收的地址與本從機(jī)的地址相比較，對(duì)于地址相符的從機(jī)，使SM2清0以接收主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的信息，對(duì)于地址不相符的從機(jī)，仍保持SM2＝1狀態(tài)，對(duì)主機(jī)隨后發(fā)送的數(shù)據(jù)不予理睬，直至發(fā)送新的地址幀；主機(jī)發(fā)送控制指令與數(shù)據(jù)，給被尋址的從機(jī)數(shù)據(jù)幀的第9位置0，表示發(fā)送的是數(shù)據(jù)。

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單片機(jī)程序采用PLM51語(yǔ)言設(shè)計(jì)，主單片機(jī)定時(shí)中斷服務(wù)程序框圖如圖4所示。主單片機(jī)RS-485串行口接收和發(fā)送中段服務(wù)程序框圖如圖5所示。主單片機(jī)RS-232C串行口接收中斷服務(wù)程序如圖6所示。從單片機(jī)RS-485串行口接收和發(fā)送中段服務(wù)程序框圖如圖7所示。主單片機(jī)在主程序中以查詢(xún)方式將各從機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀出后順序發(fā)送給上位PC機(jī)。程序清單略。

圖1 RS485通信接口原理圖

2 單片機(jī)多機(jī)通信硬件電路設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題

2.1 電路基本原理

某節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示，在該電路中，使用了一種RS-485接口芯片SN75LBC184，它采用單一電源Vcc，電壓在＋3～＋5.5 V范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的RS-485芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8 kV的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個(gè)瞬時(shí)過(guò)壓保護(hù)管，可承受高達(dá)400 V的瞬態(tài)脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線(xiàn)相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24 kΩ），故可以在總線(xiàn)上連接64個(gè)收發(fā)器。芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了限斜率驅(qū)動(dòng)，使輸出信號(hào)邊沿不會(huì)過(guò)陡，使傳輸線(xiàn)上不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。在圖1中，四位一體的光電耦合器TLP521讓單片機(jī)與SN75LBC184之間完全沒(méi)有了電的聯(lián)系，提高了工作的可靠性。基本原理為：當(dāng)單片機(jī)P1.6=0時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出高電壓（＋5 V），選中RS485接口芯片的DE端，允許發(fā)送。當(dāng)單片機(jī)P1.6=1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出低電壓（0 V），選中RS485接口芯片的RE端，允許接收。SN75LBC184的R端（接收端）和D端（發(fā)送端）的原理與上述類(lèi)似。

2.2 RS-485的DE控制端設(shè)計(jì)

在RS-485總線(xiàn)構(gòu)筑的半雙工通信系統(tǒng)中，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中任一時(shí)刻只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)并向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他所有節(jié)點(diǎn)都必須處于接收狀態(tài)。如果有2個(gè)節(jié)點(diǎn)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此，在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先力求避免因異常情況而引起本節(jié)點(diǎn)向總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致總線(xiàn)數(shù)據(jù)沖突。以MCS51系列的單片機(jī)為例，因其在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，I/O口都輸出高電平，如果把I/O口直接與RS-485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器使能端DE相連，會(huì)在CPU復(fù)位期間使DE為高，從而使本節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)。如果此時(shí)總線(xiàn)上有其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個(gè)總線(xiàn)因某一節(jié)點(diǎn)的故障而通信阻塞，繼而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？紤]到通信的穩(wěn)定性和可靠性，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中應(yīng)將控制RS485總線(xiàn)接口芯片的發(fā)送引腳設(shè)計(jì)成DE端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“1”時(shí)，DE端為“0”；控制引腳為邏輯“0”時(shí)，DE端為“1”。在圖1中，將CPU的引腳P1.6通過(guò)光電耦合器驅(qū)動(dòng)DE端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復(fù)位時(shí)使SN75LBC184始終處于接收狀態(tài)，從而從硬件上有效避免節(jié)點(diǎn)因異常情況而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響。這就為整個(gè)系統(tǒng)的通信可靠奠定了基礎(chǔ)。

此外，電路中還有1片看門(mén)狗MAX813L，能在節(jié)點(diǎn)發(fā)生死循環(huán)或其他故障時(shí)，自動(dòng)復(fù)位程序，交出RS-485總線(xiàn)控制權(quán)。這樣就能保證整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障而獨(dú)占總線(xiàn)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

2.3 避免總線(xiàn)沖突的設(shè)計(jì)

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要使用總線(xiàn)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)通信可靠，在有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況下先偵聽(tīng)總線(xiàn)。在硬件接口上，首先將RS-485接口芯片的數(shù)據(jù)接收引腳反相后接至CPU的中斷引腳INT0。在圖1中，INT0是連至光電耦合器的輸出端。當(dāng)總線(xiàn)上有數(shù)據(jù)正在傳輸時(shí)，SN75LBC184的數(shù)據(jù)接收端（R端）表現(xiàn)為變化的高低電平，利用其產(chǎn)生的CPU下降沿中斷（也可采用查詢(xún)方式），能得知此時(shí)總線(xiàn)是否正“忙”，即總線(xiàn)上是否有節(jié)點(diǎn)正在通信。如果“空閑”，則可以得到對(duì)總線(xiàn)的使用權(quán)限，這樣就較好地解決了總線(xiàn)沖突的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，還可以定義各種消息的優(yōu)先級(jí)，使高優(yōu)先級(jí)的消息得以?xún)?yōu)先發(fā)送，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采用這種工作方式后，系統(tǒng)中已經(jīng)沒(méi)有主、從節(jié)點(diǎn)之分，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)總線(xiàn)的使用權(quán)限是平等的，從而有效避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)通信負(fù)擔(dān)較重的情況?？偩€(xiàn)的利用率和系統(tǒng)的通信效率都得以大大提高，從而也使系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性得到改善，而且即使系統(tǒng)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常通信和正常工作。這樣使得系統(tǒng)的“危險(xiǎn)”分散了，從某種程度上來(lái)說(shuō)增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 RS-485輸出電路部分的設(shè)計(jì)

在圖1中，VD1～VD4為信號(hào)限幅二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合RS485標(biāo)準(zhǔn)，VD1和VD3取12 V，VD2 和VD4取7 V，以保證將信號(hào)幅度限定在-7～+12 V之間，進(jìn)一步提高抗過(guò)壓的能力?？紤]到線(xiàn)路的特殊情況（如某一節(jié)點(diǎn)的RS-485芯片被擊穿短路），為防止總線(xiàn)中其他分機(jī)的通信受到影響，在SN75LBC184的信號(hào)輸出端串聯(lián)了2個(gè)20 Ω的電阻R1和R2，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線(xiàn)的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線(xiàn)，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線(xiàn)的始端和末端應(yīng)各接1個(gè)120 Ω的匹配電阻（如圖1中的R3），以減少線(xiàn)路上傳輸信號(hào)的反射。

2.5 系統(tǒng)的電源選擇

對(duì)于由單片機(jī)結(jié)合RS-485組建的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)優(yōu)先采用各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立供電的方案，同時(shí)電源線(xiàn)不能與RS-485信號(hào)線(xiàn)共用同一股多芯電纜。RS-485信號(hào)線(xiàn)宜選用截面積0.75 mm2以上的雙絞線(xiàn)而不是平直線(xiàn)，并且選用線(xiàn)性電源TL750L05比選用開(kāi)關(guān)電源更合適。TL750L05必須有輸出電容，若沒(méi)有輸出電容，則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀，鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化，加輸出電容后，可以抑制該現(xiàn)象。

3 軟件的編程

SN75LBC184在接收方式時(shí)，A、B為輸入，R為輸出；在發(fā)送方式時(shí)，D為輸入，A、B為輸出。當(dāng)傳送方向改變一次后，如果輸入未變化，則此時(shí)輸出為隨機(jī)狀態(tài)，直至輸入狀態(tài)變化一次，輸出狀態(tài)才確定。顯然，在由發(fā)送方式轉(zhuǎn)入接收方式后，如果A、B狀態(tài)變化前，R為低電平，在第一個(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，R仍為低電平，CPU認(rèn)為此時(shí)無(wú)起始位，直到出現(xiàn)第一個(gè)下降沿，CPU才開(kāi)始接收第一個(gè)數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致接收錯(cuò)誤。由接收方式轉(zhuǎn)入發(fā)送方式后，D變化前，若A與B之間為低電壓，發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)起始位時(shí)，A與B之間仍為低電壓，A、B引腳無(wú)起始位，同樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)送錯(cuò)誤。克服這種后果的方案是：主機(jī)連續(xù)發(fā)送兩個(gè)同步字，同步字要包含多次邊沿變化（如55H ，0AAH），并發(fā)送兩次（第一次可能接收錯(cuò)誤而忽略） ，接收端收到同步字后，就可以傳送數(shù)據(jù)了，從而保證正確通信。

為了更可靠地工作，在RS485總線(xiàn)狀態(tài)切換時(shí)需要適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)0.5 ms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，再延時(shí)0.5 ms，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線(xiàn)在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過(guò)程。數(shù)據(jù)通信程序基本流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信程序基本流程圖

單片機(jī)通信節(jié)點(diǎn)的程序基本上可以分為6個(gè)主要部分，分別為預(yù)定義部分、初始化部分、主程序部分、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)部分、幀接收部分和幀發(fā)送部分。預(yù)定義部分主要定義了通信中使用的握手信號(hào)，用于保存設(shè)備信息的緩沖區(qū)和保存本節(jié)點(diǎn)設(shè)備號(hào)的變量。設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)部分應(yīng)能在程序初始化后，當(dāng)硬件發(fā)生故障時(shí)，作出相應(yīng)的反應(yīng)。主程序部分應(yīng)能接收命令幀，并根據(jù)命令的內(nèi)容作出相應(yīng)的回應(yīng)。為縮短篇幅，這里僅給出主程序部分的代碼。如下所示：

/* 單片機(jī)多機(jī)通信主程序流程 */

while（1） { //主循環(huán)

if（recv_cmd（&type）==0） //發(fā)生幀錯(cuò)誤或幀地址與本機(jī)

//地址不符，丟棄當(dāng)前幀后返回

continue;

switch（type） {

case __ACTIVE_： //主機(jī)詢(xún)問(wèn)從機(jī)是否存在

send_data（__OK_， 0，dbuf）;//發(fā)送應(yīng)答信息

break;

case __GETDATA_：

len = strlen（dbuf）;

send_data（__STATUS_， len，dbuf）;//發(fā)送狀態(tài)信息

break;

default：

break; //命令類(lèi)型錯(cuò)誤，丟棄當(dāng)前幀后返回

}

}

4 結(jié)論

RS-485由于使用了差分電平傳輸信號(hào)，傳輸距離比RS-232更長(zhǎng)，最多可以達(dá)到3000 m，因此很適合工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。但與CAN總線(xiàn)等更為先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)相比，其處理錯(cuò)誤的能力還稍顯遜色，所以在軟件部分還需要進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，以避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等情況發(fā)生。另外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余量較大，對(duì)于速度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所不適宜用RS-485總線(xiàn)。雖然RS-485總線(xiàn)存在一些缺點(diǎn)，但由于它的線(xiàn)路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、控制方便，只要處理好細(xì)節(jié)，在某些單片機(jī)多機(jī)通信應(yīng)用中仍然能發(fā)揮良好的作用。總之，解決可靠性的關(guān)鍵在于工程開(kāi)始施工前就要全盤(pán)考慮可采取的措施，這樣才能從根本上解決問(wèn)題，而不要等到工程后期再去亡羊補(bǔ)牢。