ATmega161在嵌入式測控網(wǎng)絡(luò )中的應用研究

1引言

隨著(zhù)微電子技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和半導體技術(shù)的飛速發(fā)展以及工業(yè)、醫療衛生、國防等部門(mén)對智能控制要求的不斷提高，嵌入式微處理器被越來(lái)越廣泛地應用。為了適應各方面的需求，嵌入式微處理器在運算速度、可擴充能力、系統可靠性、功耗和集成度等方面得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。嵌入式微處理器體系結構經(jīng)歷了一個(gè)從CISC（Complex In－struction Set Computer）到RISC（Reduced Instruction SetComputer），從4位、8位、16位到32位甚至64位，尋址空間從64kB到16MB甚至更大，處理速度從0．1MIPS到2000 MIPS的過(guò)程。

ATmega161是一款基于A(yíng)VR（Advanced RISC）的低功耗CMOS8位單片機，它以其強大的功能和較高的性?xún)r(jià)比得到了不少嵌入式系統開(kāi)發(fā)者的青睞。其主要特點(diǎn)表現在以下幾方面：

（1）ATmega161增強型RISC結構方面
●內含2周期乘法器；
●具有32個(gè)8位通用（工作）寄存器；
●工作在8MHz時(shí)，具有8MIPS的性能；
●具有130條指令，大多數為單周期指令；

（2）數據和程序存儲器方面
●內含16k非易失在系統可編程FLASH；
●具有1k的內部SRAM；
●帶有512字節非易失在系統編程EEPROM；
●能進(jìn)行可編程程序加密。

（3）外圍特點(diǎn)
●帶有兩個(gè)可編程全雙工UART；
●帶有主／從SPI串行接口；
●具有自身振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；
●具有2個(gè)8位定時(shí)器／計數器；
●帶有1個(gè)可預分頻的具有比較、捕捉和雙8／9／10位PWM功能的16位定時(shí)器／計數器；
●具有可編程的內部看門(mén)狗定時(shí)器；
●片內的模擬比較器可用作A／D轉換；
●帶有35個(gè)可編程I／O口。

（4）增強的MCU特點(diǎn)
●可進(jìn)行上電復位和可編程低壓檢測；
●具有21級內外部中斷源；
●有空閑、節電及掉電三種節電模式。

（5）其它特性
●采用40腳PDIP，44腳PLCC及QFP封裝；
●工作電壓為4．0～5．5V。

2嵌入式測控網(wǎng)絡(luò )的設計

傳統的測控網(wǎng)絡(luò )由于連接有很多常規模擬儀表和執行機構以及其它現場(chǎng)設備而具有很多缺點(diǎn)，如一對一結構連線(xiàn)龐雜，工程周期長(cháng)，安裝費用高，維護不便；模擬信號傳輸精度低，易受干擾；操作員在控制室既不能對其進(jìn)行參數調整，也不能對其進(jìn)行故障診斷，因而會(huì )導致操作的“失控”。

所示是筆者設計的以ATmega161為核心的嵌入式測控網(wǎng)絡(luò )系統示意圖。圖中的嵌入式控制器通過(guò)兩級RS－485總線(xiàn)既可和上位機通信，又可和傳感器以及執行機構等現場(chǎng)設備進(jìn)行通信。操作人員可直接通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標來(lái)完成對執行機構的遠程控制，從而實(shí)現實(shí)時(shí)監控；同時(shí)，總線(xiàn)似的數字信號通信可以克服常規模擬信號傳輸的許多缺點(diǎn)，并具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單、維護方便、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。

3硬件設計

可以用兩個(gè)UART通用串行口組成兩級RS－485網(wǎng)。一般的微處理器并不具備兩個(gè)UART，通?？蓴U展一片串行接口芯片（如8251、8250或者 EXAR公司的ST16C2552等）構成兩個(gè)UART，但這樣會(huì )使電路變得復雜、PCB成本增大且系統的抗干擾能力下降。而ATmega161正好具有兩個(gè)可編程UART，所以無(wú)需擴展，這種方法不但可以使電路簡(jiǎn)化并使PCB體積縮小，而且還可使抗干擾能力增強，同時(shí)也具有較高的性?xún)r(jià)比。

通信部分的硬件原理圖如圖2所示。圖中，將兩個(gè)UART的RXD、TXD分別接到兩片MAX485上，以使其轉換成RS－485電平，再以數據總線(xiàn)的形式連接到上位機和數字化的儀器儀表以及其它現場(chǎng)設備上，從而構成兩級測控網(wǎng)絡(luò )。

MAX485是一種專(zhuān)用的RS－485／RS－422接口芯片，它具有功耗低、體積小、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。每片MAX485最多能帶32個(gè)收發(fā)器，如果要增加每條總線(xiàn)上收發(fā)器的個(gè)數，可以換成MAX487、MAX1487（可帶128個(gè)收發(fā)器）等芯片。

4軟件設計

4．1通信協(xié)議

通信協(xié)議采用ISO的OSI七層模型中的物理層、鏈路層和應用層。其中物理層為RS－485，它以雙絞線(xiàn)為傳輸總線(xiàn)，其最大通信距離可達1200米，最大從機個(gè)數為32臺（使用MAX485），數據傳送速率為2400b／s，數據傳輸格式為：1位起始位、8位數據位和1位停止位，該格式無(wú)奇偶校驗位，通信錯誤檢測采用累加和校驗。

數據鏈路層可參考ISO的“高級數據鏈路層協(xié)議”（HDLC）的有關(guān)規定，并選用適合于主從網(wǎng)絡(luò )的HDLC的正常響應操作模式（NRM），即從站只有在其受到主站的請求時(shí)才能發(fā)送信息。上位機采用輪詢(xún)的方式對嵌入式控制器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，而控制器又對數字化傳感器及現場(chǎng)設備以輪詢(xún)的方式進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。其操作過(guò)程如圖3所示。

嵌入式控制器在整個(gè)通信過(guò)程中具有雙重身份，即在與上位機通信過(guò)程中，上位機是主站，控制器為從站；而在與傳感器及現場(chǎng)設備的通信過(guò)程中，控制器是主站，傳感器和現場(chǎng)設備為從站。

幀的格式定義為：幀開(kāi)始符、源地址、目的地址、控制字、信息、累加和校驗（BCC）以及幀結束符。