毕业论文：基于单片机的多机通信系统

1、摘要单片机作为微型计算机的一个分支，具有体积小，应用广泛等优点，在工业控制、通信、家用电器等各个领域都具有十分广泛的应用。单片机的多机通信就是在单片机的发展与行业标准的提高上发展起来的一个研究方向。单片机的单机控制已经逐渐不能满足需要，而多机的协调工作是一个非常重要的发展趋势。多机通信是指由两台以上单片机组成的网络结构，可以通过串行通信方式共同实现对某一过程的最终控制。多机应用的关键就在于多机之间的互相通信、互传数据信息。本文主要是介绍一种能利用RS485电气特性的简单的单片机多机通信方式，采用自定义串行通信协议，实现单片机RS485多机通讯的方法和技巧。系统设计和解决了8位单片机在多机通信方

2、面的一些问题，在实现方面，系统实现了客户机与服户机间的通信，以及客户机与客户机间的通信。单片机的多机通信在未来工业控制，通信，家用电器等领域都将有很大的发展空间，单片机依靠其体积小，性价比高，经济性上的优势一定会在未来的各个控制领域大展其优势。关键词：单片机；通信协议；RS485；目 录绪 论11多机通讯介绍2软件中断型主从式多机通信.2主从式多机通信原理.2.32单片机与通讯芯片.4单片机技术介绍.42.2 RS232与RS485通讯芯片.73单片机RS485多机通讯. 93.1 简介. .93.2 程序编制 .910121314主要参考文献.16附 录.17后 记.21绪 论单片机作为微型

3、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。单片机和计算机的共同发展下，单片机的应用从独立的单片机向网络发展，由计算机和单片机构成的多机网络系统也是单片机技术发展的一个方向。单片机多机通信是指由两台以上单片机组成的网络结构，可以通过串行通信方式共同实

4、现对某一过程的最终控制。随着计算机技术的发展，多机通讯技术也在不断的发展，现在发展比较成熟的还有光纤通信等。由于计算机的飞速发展和控制系统的复杂化，多机通信已经越来越成为人们热门的话题之一单片机多机通信是指由两台以上单片机组成的网络结构， 可以通过串行通信方式共同实现对某一过程的最终控制。目前， 单片机多机通信的形式较多， 但通常可分为星型、环型、串行总线型和主从式多机型四种。随着单片机和计算机技术的不断发展，单片机的应用也从独立的单机向网络发展。由计算机和单片机构成的多机网络系统已成为单片机技术发展的一个方向。二者的结合，充分发挥单片机在实时数据采集和数据管理上的优点。单片机在计算机的网络通

5、讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理等都有广泛地应用，已渗透到我们生活的各个领域。许多应用都涉及到单片机多机通信。然而单片机对网络数据的处理方式不同于通用计算机系统尤其是有的单片机只提供8位的数据收发接口，这在一定程度上阻碍了单片机在网络方面的应用。因此，采用单片机技术与计算机网络技术相结合的办法，对单片机多机通信系统进行研究在设计单片机网络的通信协议的基础上，系统网络拓扑结构采用总线型网络接El电路采用端El转发的形式，实现了8位单片机多机通信。1多机通讯介绍主从式多机型是一种分散形网络结构，具有接口简单和使用灵活等优点，现对它进行重点介绍。TXDRXD主机TXD RXD从机1T

6、XD RXD从机2TXD RXD从机N图1.1 主从式多机通信示意图1.1 软件中断型主从式多机通信 主从式多机通信程序有两种编写方法: 一种是软件中断法， 所有从机在收到主机发来地址时就使Rl置“ 1 ” ，从机响应串行口中断后就在中断服务程序中实现与主机的联络和通信; 另一种是查询法， 从机通过查询RI和TI状态来实现数据的接收或发送。现以软件中断法为例进行介绍。1.2 主从式多机通信原理主从式多机通信原理在主从式多机系统中，只有一台主机，但从机可以有多台。主机发送的信息可以传送，并进人各自的中断服务程序。在中断服务程序中，每台从机把接收到的从机地址和它的本机地址(系统设计时所分配)进行比

7、较。所有比较不相等的从机均从各自的中断服务程序中退出(SM2仍为1)只有比较成功的从机才是被主机寻址通信的从机。被寻址的从机在程序中使SM2= 0，以便接收随之而来的数据或命令(RB=0)。上述过程进一步归结如下:(1)主机的SM20;所有从机的SM21，以便接收主机发来的地址。(2)主机给从机发送地址时，第9数据位应设置1，以指示从机接收这个地址。(3)所 有 从机在SM2=1、RB=1和Rl=0时，接收主机发来的从机地址，进人相应中断服务程序，并与本机地址相比较，以便确认是否为被寻址从机。(4)被寻址从机通过指令清除SM2，以便正常接收数据，并向主机发回接收到的从机地址，供主机核对。未被寻

8、址的从机保持SM2=1，并退出各自中断服务程序。(5)完成主机和被寻址之间的数据通信，被寻址从机在通信完成后重新使SM2=1，并退出中断服务程序，等待下次通信。1.3 系统网络协议拟定网络容量为1台服务机和10台客户机客户机之间可以相互通信。客户机和服务机之间也可以相互通信。设计的协议参考了停止等待协议，数据包参考了IP数据包而设计。经过综合分析和优化处理，制定如下单片机多机通信协议。服务机协议服务机按1384的间隔发送询问数据包。将当前询问地址加1，判断。如果大于63则置当前询问地址为1，如果小于1则置当前询问地址为62，转下一步。向当前询问地址机器发送一询问数据包。等待一个发送间隔时间。如

9、果没有收到确认包则转到将当前数据包重发。重发计数器加1，计数器大于2则转向；如果收到确认包转到。设置发送失败标记，重发计数器清0。转到。设置发送成功标记，重发计数器清o，转到。查看被询问客户机是否有数据要发送，有则分配总线使用权和时间片，转到否则转到。等待被询问客户机的发送结束数据包，如果收到转到。在一个时间片(1384s)，没有收到，视为超时。服务机收回总线使用权，转到。客户机协议接收属于本机的数据包。如果是询问数据包，检查本机是否有数据要发送如果有，则发送“有数据发送信息”到服务机，并捎带确认转到，否则发送“没有数据发送信息”到服机，并捎带确认，转到；其它类型数据包不处理。转到。等待网络资

10、褥分配数据包，收到则发送确认包，转到；超时，停止等待转。等待上一数据包的确认，收到则转到，否则转到。检奄是否还有数据要发送，有则发送数据包转到；否则发送“结束发送信息到服务机，转到。检查是否超时，如果超时结束发送转到，否则转到。重发，是否超过两次，是则当前发送失败，转到，否则转到。2 单片机与通讯芯片2.1 单片机技术介绍1974年12月，美国著名的仙童公司推出了世界上第一台单片机F8。该机由两快集成电路芯片组成，结构新颖，并具有与众不同的指令系统，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。单片机的发展大致经历了外围集成

11、、总线完善、功能集成、全方位发展等技术发展阶段，至今走过了四代的历程。第一代：单片机探索阶段。主要有通用CPU 68XX系列和专用CPUMCS-48系列。第二代：单片机完善阶段。表现在:1.面对对象，突出控制功能，专用CPU满足嵌入功能；2.寻址范围16位或8位；3.规范的总线结构，有8位数据线，16位地址线及多功能异步串行口（UART）；4.特殊功能寄存器（SFR）的集中管理模式；5.海量位地址空间，提供位寻址及位操作功能；6.指令系统突出功能。第三代：微控制器形成阶段。这一阶段已经形成系列产品：以8051系列为代表，如8031、8032、8051和8052等。第四代：微控制器百花齐放。表现

12、在：1.电气商、半导体商广泛加入；2.满足最低层电子技术的应用（玩具、小家电）；3.大力发展专用型单片机；4.致力于提高单片机的综合品质。由于单片机在整个设计中占据着重要的地方，首先介绍一下单片机的相关知识。单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要。MCS-51单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分

13、别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 图2.1 8051 内部结构程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

14、定时/计数器：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

15、单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。图2.2 MCS-51结构框图MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图2.3是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线

16、复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：图2.3 51单片机引脚图Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，如图(2.4)。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此

17、脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。 图2.4 复位电路图Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程

18、序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kb时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。 RS232与RS485通讯芯片RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： 第一点，接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。第二点，传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。第三点，接口使用一根信号线和一根信

19、号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。第四点，传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能 用在50米左右。 针对RS-232的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点： 第一点，RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 第二点，RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。第三点，RS-485接口是采用

20、平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 第四点，RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器， 即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 综合的来说，因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。 因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9

21、芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。3 单片机RS485多机通讯简介编写完程序后即可使用汇编软件对程序进行编译了，本设计所使用的编译软件是Keil51，其步骤如下：RS485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输，利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总线驱动器如SN75176等组合成简单的RS485通讯网络。本文所述的方法已成功地应用于工程项目，一台主机与60台从机通讯，通讯波特率达64KBPS。总线

22、驱动器芯片SN75176，常用的RS485总线驱动芯片有SN75174，SN75175，SN75176。SN75176芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作RS485总线驱动芯片。SN75176及其逻辑如图(3-1)所示。 3.2 RS485方式构成的多机通信原理在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。采用RS485构成的多机通讯原理框图，如图3.2所示。图3.2 采用RS485构成的多机通讯原理框图在总线末端接一个匹配电阻，

23、吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。将总线上差分信号的正端A+和+5电源间接一个10K的电阻；正端A+和负端B-间接一个10K的电阻；负端B-和地间接一个10K的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，正端A+的电平大约为3.2V，负端B-的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。通信规则由于RS485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在

24、侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合，必须要遵从以下几项原则：（1）复位时，主从机都应该处于接收状态。SN75176芯片的发送和接收功能转换是由芯片的 RE* ，DE端控制的。RE*=1，DE=1时，SN75176发送状态；RE*=0，DE=0时，SN75176处于接收状态。一般使用单片机的一根口线连接RE*，DE端。在上电复位时，由于硬件电路稳定需要一定的时间，并且单片机各端口复位后处

25、于高电平状态，这样就会使总线上各个分机处于发送状态，加上上电时各电路的不稳定，可能向总线发送信息。因此，如果用一根口线作发送和接收控制信号，应该将口线反向后接入SN75176的控制端，使上电时SN75176处于接收状态。另外，在主从机软件上也应附加若干处理措施，如：上电时或正式通讯之前，对串行口做几次空操作，清除端口的非法数据和命令。（2）控制端RE*，DE的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。在RS232，RS422等全双工通讯过程中，发送和接收信号分别在不同的物理链路上传输，发送端始终为发送端，接收端始终为接收端，不存在发送、接收控制信号切换问题。在RS485半双工通讯中，由于

26、SN75176的发送和接收都由同一器件完成，并且发送和接收使用同一物理链路，必须对控制信号进行切换。控制信号何时为高电平，何时为低电平，一般以单片机的TI，RI信号作参考。发送时，检测TI是否建立起来，当TI为高电平后关闭发送功能转为接收功能；接收时，检测RI是否建立起来，当RI为高电平后，接收完毕，又可以转为发送。在理论上虽然行得通，但在实际联调中却出现传输数据时对时错的现象。根据查证有关资料，并在联调中借助存储示波器反复测试，才发现一个值得注意的问题，我们可以查看单片机的时序：图3.3串行口模式3时序图单片机在串行口发送数据时，只要将8位数据位传送完毕，TI标志即建立，但此时应发送的第九位

27、数据位（若发送地址帧时）和停止位尚未发出。如果在这是关闭发送控制，势必造成发送帧数据不完整。如果单片机多机通讯采用较高的波特率，几条操作指令的延时就可能超过2位（或1位）数据的发送时间，问题或许不会出现。但是如果采用较低波特率，如9600，发送一位数据需100s左右，单靠几条操作指令的延时远远不够，问题就明显地暴露出来。接收数据时也同样如此，单片机在接收完8个数据位后就建立起RI信号，但此时还未接收到第九位数据位（若接收地址帧时）和停止位。所以，接收端必须延时大于2位数据位的时间（1位数据位时间=1/波特率），再作应答，否则会发生总线冲突。（3）总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔

28、开。为了保证发送和接收信号的完整和正确，避免总线上信号的碰撞，对总线的使用权必须进行分配才能避免竞争，连接到总线上的单机，其发送控制信号在时间上要完全隔离。总之，发送和接收控制信号应该足够宽，以保证完整地接收一帧数据，任意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开，避免总线争端。 单片机软件编译编写完程序后即可使用汇编软件对程序进行编译了，本设计所使用的编译软件是Keil51，其步骤如下：步骤1，源文件的建立，使用菜单“File->New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入要调试的汇编语言源程序，保存该文件，注意必须加上扩展名.c。步骤

29、2，建立工程文件，点击“Project->New Project ”菜单，在出现一个对话框中，输入一个工程文件名，不需要扩展名。点击“保存”按钮。步骤3，工程的详细设置，工程建立好以后，还要对工程进行进一步的设置，以满足要求。首先点击左边Project 窗口的Target 1，然后使用菜单“Project->Option for target target1”即出现对工程设置的对话框，对部分内容进行必要的设置改即可，不过大部份设置项都是取默认值。步骤4，编译、连接，在设置好工程后，即可进行编译、连接。选择菜单Project->Build target，对当前工程进行连接，如果

30、当前文件已修改，软件会先对该文件进行编译，然后再连接以产生目标代码；如果选择Rebuild All target files 将会对当前工程中的所有文件重新进行编译然后再连接，确保最终生产的目标代码是最新的，而Translate项则仅对该文件进行编译，不进行连接。 基于485通讯方式软件设计在由发送方式转入接收方式后，如果A、B状态变化前，R为低电平，在第一个数据起始位时，R仍为低电平，CPU认为此时无起始位，直到出现第一个下降沿，CPU才开始接收第一个数据，这将导致接收错误。由接收方式转入发送方式后，D变化前，若A与B之间为低电压，发送第一个数据起始位时，A与B之间仍为低电压，A、B引脚无起

31、始位，同样会导致发送错误。克服这种后果的方案是：主机连续发送两个同步字，同步字要包含多次边沿变化(如55H ，0AAH)，并发送两次(第一次可能接收错误而忽略) ，接收端收到同步字后，就可以传送数据了，从而保证正确通信。为了更可靠地工作，在RS485总线状态切换时需要适当延时，再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下，先将控制端置“1”，延时0.5 ms左右的时间，再发送有效的数据，数据发送结束后，再延时0.5 ms，将控制端置“0”。这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。数据通信程序基本流程图如图（3.4）所示。程序流程框图。其中：a)为发送流程图；b)为接收流程图。准

32、备数据写SBUF起 始延时T秒结 束起 始SETB P1.0 处于接受态R1=1?延时T秒读SBUF接收完毕？结 束T1=1?发送完毕？毕？NNNN注：延时T秒的取值。(1)传送地址帧时，T>2X(1/波特率),可以选取T=2.5X(1/波特率)。(2)传送数据帧时，T>1X(1/波特率)，可以选取T=1.5X(1/波特率)。主程序设计单片机通信节点的程序基本上可以分为6个主要部分，分别为预定义部分、初始化部分、主程序部分、设备状态检测部分、帧接收部分和帧发送部分。预定义部分主要定义了通信中使用的握手信号，用于保存设备信息的缓冲区和保存本节点设备号的变量。设备状态检测部分应能在程序初始化后，当硬件发生故障时，作出相应的反应。主程序部分应能接收命令帧，并根据命令的内容作出相应的回应。为缩短篇幅，这里仅给出主程序部分的代码。如下所示：/* 主程序流程 */while(1) /主循环if(re