1、單片機(jī)多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)摘要本文介紹單片機(jī)多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)現(xiàn)有的一些技術(shù),并簡(jiǎn)要說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際實(shí)踐，鮮明提出觀點(diǎn)，根據(jù)缺陷，給出解決問(wèn)題的方案，對(duì)實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵字：多機(jī)通信過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，多機(jī)通信協(xié)議，容錯(cuò)技術(shù)，單片機(jī)通信結(jié)點(diǎn)的改進(jìn)I單片機(jī)多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和外界的信息交換顯得越來(lái)越重要，單片機(jī)的應(yīng)用也從單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，由計(jì)算機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。二者的結(jié)合，充分發(fā)揮了單片機(jī)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理上的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和

2、數(shù)據(jù)處理等都有廣泛地應(yīng)用，已滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。許多應(yīng)用都涉及到單片機(jī)多機(jī)通信。然而，單片機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理方式不同于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前單片機(jī)通信存在通信網(wǎng)絡(luò)模式簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)的通信速率低，沒(méi)有容錯(cuò)技術(shù)等缺點(diǎn)。在一定程度上阻礙了單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用。因此，采用單片機(jī)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的辦法，對(duì)單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，在設(shè)計(jì)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)多機(jī)可靠通信。在目前單片機(jī)組成的嵌入式控制系統(tǒng)中，所謂的多機(jī)通信是指上位機(jī)與下位機(jī)之間的主從模式的通信，一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為主機(jī)， n 個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)為從機(jī)，從機(jī)之間不能進(jìn)行通信。 目前單片機(jī)通信存在通信網(wǎng)絡(luò)模式簡(jiǎn)

3、單，數(shù)據(jù)的通信速率低，沒(méi)有容錯(cuò)技術(shù)等缺點(diǎn)。MCS-51 單片機(jī)串行接口SBUF ，由SCON 控制為用于多機(jī)通信的工作方式2 ，3。 當(dāng)SM2 = 1 ，出現(xiàn)兩種情況：接收到第9 位數(shù)據(jù)為1 時(shí)，數(shù)據(jù)才裝入SBUF ，并置RI = 1 ，向CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求;如果接收到第9 位數(shù)據(jù)為0 時(shí)，則不發(fā)生中斷，信息被丟失。 若SM2 = 0 ，則接收到的第9 位數(shù)據(jù)無(wú)論是0 還是1 ，都產(chǎn)生RI = 1 中斷標(biāo)志，接收到的數(shù)據(jù)裝入SBUF 中。 多機(jī)通信過(guò)程安排如下：（1） 使所有的從機(jī)SM2 = 1 ，處于接收地址狀態(tài); （2）主機(jī)發(fā)一幀地址信息，從機(jī)接收到地址幀后，將與本從機(jī)的地址進(jìn)行比較。

4、是本機(jī)，使SM2 = 0 ，地址不符合的從機(jī)，保持SM2 = 1 ，退出本次通信;（3）主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令，以第九位為0 表示。 主從模式的多機(jī)通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主機(jī)的RXD 與所有從機(jī)的TXD 端相連，而主機(jī)的TXD 與所有的從機(jī)的RXD 端連接，如圖1 所示。1圖1 主從多機(jī)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主從模式的多機(jī)通信在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主機(jī)只有一個(gè)且固定不變，從機(jī)是多個(gè)，它們之間不能通信。在新的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有真正的主機(jī)和從機(jī)之分，所有的結(jié)點(diǎn)都是平權(quán)的。 總線(xiàn)也是兩條，一根作為主機(jī)發(fā)送信息，從機(jī)接收;另一根是從機(jī)發(fā)送信息，主機(jī)接收。 每一個(gè)結(jié)點(diǎn)的機(jī)器既是從機(jī)，又是潛在的主機(jī)。 非主動(dòng)通

5、信狀態(tài)時(shí)，為從機(jī)狀態(tài)。 需要通信時(shí)，改變連線(xiàn)的接法，并使自己變?yōu)橹鳈C(jī)狀態(tài)。 主機(jī)狀態(tài)：它的TXD 端與所有從機(jī)的RXD 連接，它的RXD 與所有從機(jī)的TXD 連接，以便發(fā)送從機(jī)地址，與從機(jī)建立通信聯(lián)系，完成交流信息的目的。 本次通信完畢后，自動(dòng)降為從機(jī)狀態(tài)，并且線(xiàn)路的連接方式也變成從機(jī)連接。 從機(jī)狀態(tài)：它的TXD 與所有從機(jī)的TXD 連載一條總線(xiàn)上，連接到主機(jī)的RXD 端，它的RXD 連接到主機(jī)的TXD。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖2 多機(jī)串行通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)說(shuō)明：2（1） 任一個(gè)結(jié)點(diǎn)機(jī)器，不主動(dòng)通信時(shí)，處于從機(jī)狀態(tài)，要求通信時(shí)，躍遷為主機(jī)狀態(tài)。 行使主機(jī)通信形式和權(quán)利;（2） 結(jié)點(diǎn)機(jī)器的TXD ，

6、RXD 與總線(xiàn)的連接有兩種方式：主機(jī)連接、從機(jī)連接。 由機(jī)器的狀態(tài)來(lái)決定，也就是說(shuō)，連接方式與機(jī)器的狀態(tài)相適應(yīng)，受機(jī)器狀態(tài)的控制。邏輯電路接口式連接：用三態(tài)門(mén)74HC126。 非門(mén)用74HC04 實(shí)現(xiàn)連接轉(zhuǎn)換功能。 用P1。 0 控制三態(tài)門(mén)，當(dāng)P1。 0 = 0 時(shí)，其TXD 接主機(jī)的RXD ，它的RXD 接主機(jī)的TXD ，結(jié)點(diǎn)成為從機(jī)狀態(tài);當(dāng)P1。 0 = 1 時(shí)，其TXD 連接所有從機(jī)的RXD ，它的RXD 連接所有從機(jī)TXD ，該結(jié)點(diǎn)成為主機(jī)狀態(tài)。 連接變換電路圖如圖3 所示。圖3 由三態(tài)門(mén)構(gòu)成多機(jī)串行通信智能連接電路多機(jī)通信協(xié)議：（1）在初始化或復(fù)位時(shí)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都使P1。 0 = 0

7、，SM2 = 1 ，處于只接收地址幀(串行幀的第9 位為1) ，對(duì)數(shù)據(jù)幀(串行口的第9 位為0) 則不做響應(yīng)的從機(jī)狀態(tài)。 （2）需要通信的結(jié)點(diǎn)機(jī)器，檢測(cè)到總線(xiàn)空時(shí)，置SM2 = 0 ，P1。 0 = 1 ，躍遷為主機(jī)狀態(tài)，發(fā)送一個(gè)地址幀，其中含8 位地址數(shù)據(jù)，第9 位為標(biāo)志位。 （3）當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的地址幀后，將所接收的地址與本機(jī)地址相比較，若地址與本機(jī)地址相符，便使SM2 = 0 ，以便接收主機(jī)后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)P命令，對(duì)于地址不相符合的從機(jī)，仍保持SM2 = 1 狀態(tài)，故不能接收主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。 （4）主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或控制指令，其數(shù)據(jù)幀第9 位置0 ，表示發(fā)送的是數(shù)據(jù)。 3（5）當(dāng)主

8、機(jī)改為與另外從機(jī)聯(lián)系時(shí)，可再發(fā)出地址幀來(lái)尋找其它從機(jī)。 而先前被尋址過(guò)的從機(jī)在分析出主機(jī)是對(duì)其它從機(jī)尋址時(shí)，恢復(fù)其SM2 = 1 ，等待主機(jī)的再一次尋址。 主機(jī)也可以通過(guò)發(fā)送一個(gè)復(fù)位指令，使所有從機(jī)處于等待尋址狀態(tài)。 （6）通信結(jié)束后，置P1。 0 為0 ，SM2 位為1 ，退回到從機(jī)狀態(tài)。2、RS485 總線(xiàn)改善信道RS485 串行接口和傳統(tǒng)的RS232 串行接口相比有以下特點(diǎn)：RS485 的電氣特性：邏輯“1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為+ 2 + 6 V 表示，邏輯“0”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為- 2 - 6 V 表示。 接口信號(hào)電平比RS232C 低。 不易損壞接口電路的芯片，且該電平信號(hào)與TTL電平

9、兼容，可方便的TTL 電路連接。 RS485 的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。 RS485 接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器、差分接收器的組合，抗共模干擾能力強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。RS485 接口的最大傳輸距離為1219。5 m(標(biāo)準(zhǔn)值) ，實(shí)際上可達(dá)3000 m。 RS485 接口在總線(xiàn)上允許連接多達(dá)128 個(gè)接收器，即具有多站能力，這樣用戶(hù)利用單一的RS485 接口方便的建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。 因RS485 接口具有上述優(yōu)點(diǎn)，使其得到廣泛的應(yīng)用。半雙工通信：采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線(xiàn)，R 為T(mén)TL/CMOS 接收端;RE 為其使能端，低電平有效。 D 為T(mén)TL/CMOS 的發(fā)送端，DE為其使能端，高電平有效。

10、 A 、B 為一對(duì)平衡線(xiàn)，RS485 通過(guò)它來(lái)接收和發(fā)送信號(hào)。 每個(gè)端口的RS485 收發(fā)器的接收使能端接低電平，保證端RS485 總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)都能通過(guò)RS485 的接收驅(qū)動(dòng)器，送到每個(gè)終端的微處理器的串行輸入口;RS485 收發(fā)器的發(fā)送使能端由每個(gè)終端的并行口控制，每個(gè)終端在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，才使發(fā)送使能拉高，將數(shù)據(jù)通過(guò)RS485 的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，送到RS485總線(xiàn)上，如圖4 所示。圖4 基于RS - 485 總線(xiàn)的單片機(jī)多機(jī)通信原理圖4RS485 實(shí)現(xiàn)全雙工通信：采用兩對(duì)平衡差分信號(hào)線(xiàn)， R 為T(mén)TL/CMOS 接收端;RE為其使能端，低電平有效。 D 為T(mén)TL/CMOS的發(fā)送端，DE 為其使

11、能端，高電平有效。 A 、B 為一對(duì)平衡線(xiàn)，RS485 通過(guò)它來(lái)接收和發(fā)送信號(hào)。 總線(xiàn)采用RS - 485 模式，用MAX88 完成收發(fā)功能。 如距離較遠(yuǎn)時(shí)，在中途進(jìn)行接收并放大。多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)電路如圖5 所示。圖5 基于RS - 485 總線(xiàn)的單片機(jī)多機(jī)通信原理圖多機(jī)競(jìng)爭(zhēng)總線(xiàn)的問(wèn)題：在通信系統(tǒng)中，有多個(gè)單片機(jī)同時(shí)要求通信時(shí)，就出現(xiàn)多主爭(zhēng)用總線(xiàn)問(wèn)題。 解決的方法： （1） 通信過(guò)程中，設(shè)有啟始和結(jié)束標(biāo)志符，如果通信正在進(jìn)行，除正在通信的結(jié)點(diǎn)外，其它所有的結(jié)點(diǎn)置為從機(jī)狀態(tài);（2）在測(cè)量總線(xiàn)是空狀態(tài)之后，才允許請(qǐng)求通信的機(jī)器由從機(jī)狀態(tài)升為主機(jī)狀態(tài);（3）聯(lián)絡(luò)從機(jī)過(guò)程中，五次不成，就退出本次通信。 避

12、免無(wú)效通信占用過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，影響通信質(zhì)量。3、容錯(cuò)技術(shù)在單片機(jī)組成的嵌入式控制系統(tǒng)中，利用單片機(jī)的串行口，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)對(duì)單機(jī)的通信、或者實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)與多臺(tái)從機(jī)的通信，利用MODEN 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸。 基于RS485 總線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化自由通信。 但單片機(jī)多用在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，其通信受到各種各樣的干擾信號(hào)的干擾，由于單片機(jī)的內(nèi)存及操作系統(tǒng)不允許裝載復(fù)雜的通信容錯(cuò)程序。5 針對(duì)單片機(jī)通信的特點(diǎn)，介紹一種簡(jiǎn)單可行的差錯(cuò)糾錯(cuò)的編碼方法：?jiǎn)纹瑱C(jī)串行通信以8 位數(shù)據(jù)或九位，一個(gè)啟始位，一個(gè)停止位的通信模型。 通信數(shù)據(jù)量不會(huì)太大等特點(diǎn)。 采用混合糾錯(cuò)檢錯(cuò)的方法。 首先采用Hamming(7 ，4) 模型編碼。

13、 即在7 位編碼中，其中4 位是有效數(shù)據(jù)，3 位是冗余校驗(yàn)碼。 設(shè)D3 D2 D1 D0 是4 位有效數(shù)據(jù)， P2 P1 P0 是3 位校驗(yàn)碼，將D3 D2 D1 D0 分成三組， P2 ， P1 ， P0 分別是3 組的校驗(yàn)位， G2 G1 G0 為檢錯(cuò)信息，當(dāng)G2 G1 G0 = 000時(shí)，傳送沒(méi)有錯(cuò)。 G2 G1 G0 的值就指明7 位編碼中第i 位傳錯(cuò)，對(duì)該位求反，即可完成糾錯(cuò)。 (7 ，4) 校驗(yàn)碼的格式，見(jiàn)表1 ：D3 D2 D1 P2 D0 P1 P0 。 7 位(7 ，4) D3 D2 D1 P2 D0 P1 P0 校驗(yàn)碼分成三組：第一組：檢錯(cuò)信息G0 ，含有： D3 、D1

14、、D0 、P0 ，其中： P0 = D3D1D0 ， G0 = P0D3D1D0 。第二組：檢錯(cuò)信息G1 ，含有： D3 、D2 、D0 、P1 ，其中： P1 = D3D2D0 ， G1 = P1D3D2D0 。第三組：檢錯(cuò)信息G2 ，含有： D3 、D2 、D1 、P2 ，其中： P2 = D3D2D1 ， G2 = P2D3D2D1 。單片機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先按漢明編碼格式，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)變成漢明碼，即8 位編碼中，有4 位數(shù)據(jù)。 所以一個(gè)字節(jié)有效數(shù)據(jù)分成低4 位、高4 位，然后編成漢明碼后，發(fā)送到縮機(jī)。 接收機(jī)收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)和糾錯(cuò)。 即首先計(jì)算出G2 G1 G0 檢錯(cuò)信息字的值，由信息檢錯(cuò)字知道那一位出錯(cuò)，對(duì)該位求反，即可完全糾錯(cuò)。 錯(cuò)位與信息字G2 G1 G0 的關(guān)系見(jiàn)表2。表1 B7B6B5B4B3B2B1B0D3D2D1P2D0P1P0表2 糾錯(cuò)信息 G2 G1 G0出錯(cuò)位求反糾錯(cuò)000正確001P0-P0010P1-P1011D0-D0100P2-P26101D1-D1110D2-D2111D3-D3漢明校驗(yàn)碼可以查出信息中的一位錯(cuò)，并能知道是那位錯(cuò)，可以糾正。 如果