基于RS总线的多机通信专业系统设计.doc
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1、摘 要在多机通信领域因为单片机含有灵活高效多机通信功效和价格优势,应用越来越广泛,但因为单片机收发信号全部是TTI 电平,驱动能力和抗干扰性有限,实用中常配合其它总线实现互联,RS-485总线就是其中之一。RS-485总线是平衡差分传输,抗干扰性好,最远可传输4000 m,可互联多达128个单片机,很适台组成多机通信系统。在多机通信中,最关键是确保通信有条不紊地进行,所以需要严格通信协议和完善通信软件,本文将关键介绍应用于某大型工程单片机多机通信协议和通信软件设计方法。本文介绍一个利用单片机本身所提供串行通讯口,采取自定义串行通信协议,加上总线驱动器如MAX481、MAX483、MAX485、
2、MAX487等组合成简单RS485通讯网络,完成单片机间多机通讯。 关键词: 单片机;串行通信;RS485总线: 多机通信协议 AbstractIn computer communication field. Because of the single chip microcomputer has flexible and efficient computer communication function and price advantage, used more and more widely, but because of the single chip microcomputer to
3、 send and receive signals are TTI level, drive and anti-interference ability is limited, practical cooperation with other bus realize in Internet, RS-485 bus is one of them. RS-485 bus is a balanced differential transmission, anti-jamming of the good and as far as 4000 m could be transmitted, interc
4、onnected as many as 128 single chip microcomputer, very comfortable a composition computer communication system. In computer communication, the most important is to ensure that communications in an orderly way, and therefore need to strict communication protocol and perfect communication software, t
5、his paper will focus on introduces applied in a large project single-chip computer communication association Put the communication software design method. This paper introduces a microcontroller itself provide the serial communication mouth, use custom serial communication protocol, plus the bus dri
6、ves as MAX481, MAX483, MAX485, MAX487 combined into simple RS-485 communication network, finish between the single chip computer communication. Keywords: SCM; Serial communication; RS-485 bus: computer communication agreement目 录第1章 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 单片机多机通信发展1第2章 总体介绍32.1 系统组成32.2 RS-48532.3 多机通信
7、原理4第3章 硬件设计及原理63.1 80C51单片机硬件结构63.2 最小应用系统设计73.2.1 时钟电路73.2.2 复位电路83.3 总线驱动芯片9第4章 系统问题及其处理124.1 通信规则124.2 总线匹配134.3 硬件抗干扰方法134.3.1 RO及DI端配置上拉电阻134.3.2 地线和接地144.3.3 电磁干扰(EMI)问题144.3.4 瞬态保护154.3.5 总线隔离164.4 软件抗干扰方法164.4.1 指令冗余164.4.2 拦截技术164.4.3 软件“看门狗”技术17第5章 软件设计195.1 系统结构195.2 通信协议195.2.1 信息格式195.2
8、.2 定时和重发205.2.3 通信过程205.3 通信软件设计215.3.1 从机通信软件设计215.3.2 主机通信软件设计23第6章 程序设计246.1 主机程序以下:246.2 从机1程序以下:266.3 从机2程序以下:27第7章 系统仿真29结束语31致 谢32参考文件33第1章 绪论1.1 课题研究背景和意义单片机是一个集成在电路芯片,是采取超大规模集成电路技术把含有数据处理能力中央处理器CPU随机存放器RAM、只读存放器ROM、多个I/O口和中止系统、定时器/计时器等功效(可能还包含显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上组成一个小而完善
9、计算机系统现在单片机渗透到我们生活各个领域,几乎极难找到哪个领域没有单片机踪迹。导弹导航装置,飞机上多种仪表控制,计算机网络通讯和数据传输,工业自动化过程实时控制和数据处理,广泛使用多种智能IC卡,民用豪华轿车安全保障系统,录象机、摄象机、全自动洗衣机控制,和程控玩具、电子宠物等等,这些全部离不开单片机。更不用说自动控制领域机器人、智能仪表、医疗器械了。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备智能化管理及过程控制等领域伴随计算机技术发展及工业自动化水平提升, 在很多场所采取单机控制已不能满足现场要求,所以必需采取多机控制形式,而多机控制关键经过多个单片机之间串行通信实
10、现。串行通信作为单片机之间常见通信方法之一, 因为其通信编程灵活、硬件简练并遵照统一标准, 所以其在工业控制领域得到了广泛应用。组成较大规模检测、控制系统,常常要采取多个单片机,组成能够通信多机系统。Mcs一51系列单片机为实现多机通信联网设计了方便串行通信接口功效。将多个Mcs一51单片机组成串行总线形式相互通道,经过写单片机串行控制方法寄存器,将串行口置成方法2或方法3,就能够实现主机和分机之间串行通信。这种多机系统结构简单,应用广泛,但它只能实现由主机呼叫分机,然后实现主机和分机之间全双工串行通信。我们在监控系统中要求现有主机和分机主动通信,又有分机和主机主动通信,这种结构多机系统就无法
11、满足要求。多机协同工作已是单片机发展一个关键趋势,现在单片机多机通信关键方法仍然是主从式多机通信系统。单片机多机通信目标是实现分布式处理系统,单片机多机通信方法有很多个,应用前景宽广,很含有研究意义!1.2 单片机多机通信发展伴随科技发展,单片机已不是一个陌生名词,它出现是近代计算机技术发展史上一个关键里程碑,因为单片机诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机单芯片微小体积和低成本,可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中,成为现代电子系统中最关键智能化工具。 所
12、包含市场拥有率最高是MCS51系列,因为世界上很多著名IC生产厂家全部生产51兼容芯片。生产MCS51系列单片机厂家如美国AMD企业、ATMEL企业、INTEL企业、WINBOND企业、PHILIPS企业、ISSI企业、TEMIC企业及南韩LG企业、日本NEC、西门子企业等。到现在为止,MCS51单片机已经有数百个品种,还在不停推出功效更强新产品。现代单片机普遍含有通信接口,能够很方便地和计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间应用提供了极好物质条件,现在通信设备基础上全部实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随地可见移动
13、电话,集群移动通信,无线电对讲机等。单片机通信领域应用首先从两片单片机之间通信发展起来,以后有了主从式多机通信并得到了广泛应用,又出现了以单片机作为下位机和以PC机作为上位机通信应用,上位机用VB或VC+等面向对象程序设计语言编写通信收发程序,也得到了广泛应用。即使,单片机多机通信已经有较长研究历史了,但其形式大多是主从式,极少是平权式。第2章 总体介绍2.1 系统组成本设计采取MCS-51系列中80C51单片机。80C51是一款八位单片机,它易用性和多功效性受到了广大使用者好评。它是第三代单片机代表。新一代单片机最关键技术特点是向外部接口电路扩展,以实现Microcomputer完善控制功效
14、为己任,将部分外部接口功效单元如A/DPWMPCA(可编程计数器阵列)WDT(监视定时器)高速I/O口计数器捕捉/比较逻辑等。这一代单片机中,在总线方面最关键进展是为单片机配置了芯片间串行总线,为单片机应用系统设计提供了愈加灵活方法。Philips企业还为这一代单片机80C51系列8C592单片机引入了含有较强功效设备间网络系统总线-CAN(Controller Area Network BUS).新一代单片机为外部提供了相当完善总线结构,为系统扩展和配置打下了良好基础。菲利浦企业研发LPC900系列单片机是一个基于80C51内核高速、低功耗Flash单片机,关键集成了字节方法I2C总线、SP
15、I接口、UART通信接口、实时时钟、E2PROM、A/D转换器、ISP/IAP在线编程和远程编程方法等一系列有特色功效部件。本文中系统组成使用了P89LPC932单片机。P89LPC932是一款单片封装微控制器,适适用于很多要求高集成度、低成本场所。它采取了高性能处理器结构,指令实施时间只需要2-4个时钟周期,6倍于标准80C51器件。2.2 RS-485RS485标准接口是单片机系统种常见一个串行总线之一。RS-485通信方法RS-485标准是由EIA(电子工业协会)和TIA(通讯工业协会)共同制订和开发。RS-485作为一个多点差分数据传输电气规范,已成为业界最广泛应用标准通信接口之一。理
16、论上,RS-485标准最多接入32个设备(受芯片驱动能力影响),能够工作在半双工或全双工模式下,最大传输距离约为1219米,最大传输速率约为10Mbps1。然而通常RS-485网络采取平衡双绞线作为传输媒体,平衡双绞线长度和传输速率成反比,只有在20Kbps传输速率下,才可能达成最大传输距离。通常15米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。不过对于速率要求不是很高控制系统来说已经足够了。RS-485采取平衡发送和差分接收方法来实现通信:在发送端TXD将串行口TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出,经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线,又是差分传输,所以有极
17、强抗共模干扰能力,接收灵敏度也相当高。同时,最大传输速率和最大传输距离也大大提升。假如以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m,而用100Kbps时传输距离可达1.2km。假如降低波特率,传输距离还可深入提升。另外RS-485实现了多点互连,最多可达256台驱动器和256台接收器,很便于多器件连接。不仅能够实现半双工通信,而且能够实现全双工通信。 2.3 多机通信原理在多机通信中,每台从机均分配有一个从机地址,主机和从机之间进行串行通信时,通常是主机先呼叫某从机地址,唤醒被叫从机后,主、从两机之间进行数据交换。而未被呼叫从机则继续进行各自工作。可是,假如在主机和某被呼叫从机进行数据交换过
18、程中,其它从机假如不采取对应数据识别技术,则这些从机就会因为串行通信线上有数据传输而时时被打断,影响正常工作。利用单片机串口工作方法2、方法3能够很好处理上述问题。在多机通信过程中,从机首先要处理是怎样识别主机发送是地址信息还是数据信息。当发送是地址信息时,各从机全部响应串口中止,接收主机下发一帧地址数据。而当主机发送数据帧时,无关从机可不响应串口中止。处理方法是:当主机发送一帧地址信息时,应保持这帧数据第9位为1(即TB8=1)。从机根据工作方法2或工作方法3运行时,将串口寄存器SCON中控制位SM2置为1,当所接收一帧数据第9位为1,全部从机全部产生串口中止,接收这一帧地址数据并和各自从机
19、地址进行比较,以判定主机是否要和本机通信。接收到地址数据和从机地址相等达成为被呼叫从机,该从机将串口控制寄存器SCON中控制位SM2清为0,去接收主机发送来数据帧(数据帧第9位为0),此时不管接收到第9位数据是否为1或0,全部要产生串口中止,这就确保了主机和被呼叫从机间正常数据通信。数据通信结束后,该从机又重新将串行口控制寄存器SCON中控制位SM2置为1,为下一次和主机进行通信做好准备。其它从机则一直在SM2=1下继续自己工作,不会因为主、从机之间数据通信而被打断。多机通信实现,关键靠主、从机正确地设置和判定多机通信控制位SM2和发送或接收第9位数据(TB8或RB8)。当主机给从机发送信息时
20、,要依据发送信息性质来设置TB8,发送地址信号时,设置TB8=1;发送数据或命令时,设置TB8=0。当从机SM2为1时,该从机只接收地址帧(RB8位为1),对数据帧(RB8位为0)将不予理会。而当SM2为0时,该从机接收全部发送来信息。多机通信过程以下:(1) 使全部从机SM2置1,处于只接收地址帧状态(即从机复位);(2) 主机发送一地址帧信息,其中包含8位地址,第9位为地址、数据标志位,第9位置1表示发送是地址;(3) 从机接收到地址帧后,各自中止CPU,把接收到地址和当地址作比较;(4) 地址相符从机,使SM2清零以接收主机随即发来全部信息,对于地址不相符从机,仍保持SM2=1状态,对主
21、机随即发送数据不予理会,直到主机发送来新地址帧;(5) 主机发送数据或控制信息给被寻址从机;(6) 被寻址从机,因SM2=0,能够接收主机发送过来全部数据,当从机接收数据结束时,置位SM2,返回接收地址帧状态(复位状态);(7) 当主机改为和另外从机联络时,可再发地址帧寻址其从机,而先前被寻址过从机恢复SM2=1。第3章 硬件设计及原理一个单片机应用系统硬件电路设计包含有两部分内容:一是系统扩展,即单片机内部功效单元,如ROMRAMI/O口定时/记数器中止系统等能量不能满足应用系统要求时,必需在片外进行扩展,选择合适芯片,设计对应电路。二是系统配置,既根据系统功效要求配置外围设备,如键盘显示器
22、打印机A/DD/A转换器等,要设计适宜接口电路。3.1 80C51单片机硬件结构80C51单片机是把那些作为控制应用所必需基础内容全部集成在一个尺寸有限集成电路芯片上2。假如按功效划分,它由以下功效部件组成,即微处理器、数据存放器、程序存放器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中止系统及特殊功效寄存器。它们全部是经过片内单一总线连接而成,其基础结构依旧是CPU加上外围芯片传统结构模式。但对多种功效部件控制是采取特殊功效寄存器集中控制方法。微处理器:该单片机中有一个8位微处理器,和通用微处理器基础相同,一样包含了运算器和控制器两大部分,只是增加了面向控制处理功效,不仅可处理数据,还能够进行位
23、变量处理。数据存放器:片内为128个字节,片外最多可外扩至64k字节,用来存放程序在运行期间工作变量、运算中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存放器。程序存放器:因为受集成度限制,片内只读存放器通常容量较小,假如片内只读存放器容量不够,则需用扩展片外只读存放器,片外最多可外扩至64k字节。 中止系统:含有5个中止源,2级中止优先权。定时器/计数器:片内有2个16位定时器/计数器, 含有四种工作方法。串行口:1个全双工串行口,含有四种工作方法。可用来进行串行通讯,扩展并行I/O口,甚至和多个单片机相连组成多机系统,从而使单片机功效更强且应用更广。 P1口、P2口、P3口、P4口:为4
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