基于RS485總線(xiàn)的單片機對等網(wǎng)絡(luò )的設計與實(shí)現

1　引　言

隨著(zhù)自動(dòng)控制技術(shù)的應用和發(fā)展，控制系統越來(lái)越復雜。單片機的應用系統已從單機逐漸向多機聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展，如：數據采集、消防、門(mén)禁、消費等控制系統，這就需要單片機之間或單片機與微機之間組成網(wǎng)絡(luò )以進(jìn)行相互通信?，F有的各種總線(xiàn)產(chǎn)品，如基金總線(xiàn)（FF）、LonWorks總線(xiàn)、ProfiBus總線(xiàn)、 HART總線(xiàn)及CAN總線(xiàn)等，雖然各有特色，但由于其兼容性差、造價(jià)高、維護不便等方面的原因，未能得到普遍應用。

RS485總線(xiàn)作為一種簡(jiǎn)易、廉價(jià)的通信技術(shù)，其收發(fā)器采用平衡驅動(dòng)和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。RS485接收器靈敏度可達±200 mV，因而大大提高了通信距離。在100 kb／s速率下電纜長(cháng)度可達1 200 m，如果通信距離縮短，最大速率更可達10 Mb／s。RS485總線(xiàn)上允許帶多個(gè)驅動(dòng)器和接收器，最新的收發(fā)器可帶128個(gè)節點(diǎn)，用于構建多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò )。由于RS485總線(xiàn)具有設備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(cháng)距離通信的特點(diǎn)，故在工程中得到了廣泛應用。

通常在RS485總線(xiàn)產(chǎn)品的應用中，都采用主從控制方式，即由1臺微機或1臺單片機作為主機，其余的作為從機。主機和從機之間可以直接進(jìn)行通信，從機之間要進(jìn)行通信時(shí)必須通過(guò)主機。通信方式則由主機采取輪詢(xún)的方式對各從機進(jìn)行查詢(xún)。這種方式使軟件的設計大為簡(jiǎn)化，但也帶來(lái)很多弊端。

（1）由于采取主機輪詢(xún)方式進(jìn)行通信，因此，通信的吞吐量較低，不適用于通信量要求較大，或平均通信量較低，但呈突發(fā)式的場(chǎng)合，如：消費系統、考勤系統等。

（2）由于采取主機輪詢(xún)方式進(jìn)行通信，因此，系統較大時(shí)，實(shí)時(shí)性較差。

（3）由于采取主機輪詢(xún)方式進(jìn)行通信，主機在不停地查詢(xún)各從機，每個(gè)從機都必須對主機的查詢(xún)作出響應，以決定是否對該機進(jìn)行通信，這樣，勢必增加各從機的系統開(kāi)銷(xiāo)。

（4）當從機之間需要進(jìn)行通信時(shí)，必須通過(guò)主機，增加了從機間通信的難度。

針對主從式網(wǎng)絡(luò )的這些缺點(diǎn)，本文提出一種采用RS485總線(xiàn)的單片機對等網(wǎng)絡(luò )的設計方法。在這種網(wǎng)絡(luò )中，各節點(diǎn)（單片機）之間沒(méi)有主從之分，是完全吞吐量大而且靈活。最后給出了該網(wǎng)絡(luò )的C51語(yǔ)言實(shí)現方法。

2　網(wǎng)絡(luò )原理

在主從式網(wǎng)絡(luò )中，信道由主機進(jìn)行控制，不存在競爭信道的問(wèn)題。在對等式網(wǎng)絡(luò )中則不同，由于每個(gè)節點(diǎn)均可根據自己的需要隨時(shí)發(fā)送信息，必然會(huì )競爭使用信道，因此，如何合理分配信道的使用權就成為對等式網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵問(wèn)題。與計算機網(wǎng)絡(luò )［1］類(lèi)似，解決信道分配問(wèn)題可采用靜態(tài)分配方案和動(dòng)態(tài)分配方案。在靜態(tài)分配方案中，時(shí)分多路復用TDMA（TimeDivision Multiple Access）是常用的方法，在TDMA中，時(shí)間被均分為N段時(shí)隙，每個(gè)節點(diǎn)靜態(tài)的占用一個(gè)。如果每個(gè)節點(diǎn)都能充分利用自己的時(shí)隙發(fā)送數據，該方案是十分靈活而高效的。

然而，實(shí)際中有些節點(diǎn)數據很多，時(shí)隙不夠用，而有些節點(diǎn)數據卻很少，不能充分利用分配給他的時(shí)隙而使這段時(shí)間被閑置。因此，信道靜態(tài)分配方案不能有效地處理通信的突發(fā)性。在動(dòng)態(tài)分配方案中，帶沖突檢測的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)CSMA／CD（carrier sensemultiple access with collision detection）協(xié)議是常用的方法。

該協(xié)議中，當一個(gè)節點(diǎn)要發(fā)送數據時(shí)，他首先偵聽(tīng)信道，看是否有其他節點(diǎn)正在發(fā)送。若沒(méi)有其他節點(diǎn)在發(fā)送，他就開(kāi)始發(fā)送，否則，等待一個(gè)隨機的時(shí)間后，重復上述過(guò)程。當2個(gè)節點(diǎn)偵聽(tīng)到信道空閑并同時(shí)開(kāi)始傳送時(shí)，必然會(huì )產(chǎn)生沖突，此時(shí)，他們幾乎將同時(shí)檢測到?jīng)_突，一旦檢測到?jīng)_突，不是繼續傳完他們的幀，而是盡快停止，這樣既節省了時(shí)間又節省了頻帶。在等待一個(gè)隨機的時(shí)間后，重新開(kāi)始上述的發(fā)送過(guò)程。

CSMA／CD能有效地解決通信的突發(fā)性。在負載較低時(shí)，欲發(fā)送數據的節點(diǎn)能立即發(fā)送，負載較重時(shí)，也可保證通信的穩定，本文中將采用該協(xié)議來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信。

3　硬件電路設計

實(shí)現CSMA／CD協(xié)議的關(guān)鍵是載波偵聽(tīng)和沖突檢測。這就要求每個(gè)節點(diǎn)能夠接收所有節點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數據，包括他自己。

在RS485總線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò )中，由于單片機串口為T(mén)TL電平，需要通過(guò)485專(zhuān)用收發(fā)芯片，完成電平轉換及數據收發(fā)。這里選用較常用的 SN75176。該芯片內將3態(tài)差分線(xiàn)驅動(dòng)器和差分輸入線(xiàn)接收器結合在一起。驅動(dòng)器和接收器分別具有高電平有效和低電平有效使能端，如圖1所示。在主從式網(wǎng)絡(luò )中，一般將驅動(dòng)器和接收器的使能端連接在一起以便起方向控制的作用，使收發(fā)器工作于半雙工狀態(tài)。在這里收發(fā)器必須工作于全雙工狀態(tài)，以便節點(diǎn)能接收到自己發(fā)出的信息。因此，將接收器的使能端接低電平，而驅動(dòng)器的使能端則由單片機的IO口控制，平時(shí)為低電平，釋放總線(xiàn)，要發(fā)送數據時(shí)則轉換為高電平。這樣構成的單片機對等網(wǎng)絡(luò )如圖2所示。

4　軟件實(shí)現

本文采用Franklin C51來(lái)實(shí)現CSMA／CD網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)單片機目標系統軟件可縮短開(kāi)發(fā)周期，增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴充，從而研制出規模更大，性能更完備的系統［2］。

系統中設置定時(shí)器0作為延時(shí)計時(shí)器，他有兩組延時(shí)參數。一組用于偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )是否空閑。每次接收中斷時(shí)，給定時(shí)器0重裝延時(shí)參數，并設置網(wǎng)絡(luò )忙標志。該參數的值應保證在正常的數據發(fā)送時(shí)，定時(shí)器不會(huì )溢出。這樣，若有節點(diǎn)正在發(fā)送數據，定時(shí)器0將被反復重裝，并設置網(wǎng)絡(luò )忙標志。若所有節點(diǎn)停止發(fā)送數據，定時(shí)器將溢出，此時(shí)，停止計時(shí)并清除網(wǎng)絡(luò )忙標志，表示網(wǎng)絡(luò )空閑。發(fā)送程序檢測到該標志，即可開(kāi)始發(fā)送數據。發(fā)送程序每發(fā)送1 B數據時(shí)，將該數據存入一個(gè)臨時(shí)變量中。此時(shí)，接收程序同時(shí)也會(huì )接收到一個(gè)數據，將接收到的數據與臨時(shí)變量中的數據進(jìn)行比較，若相等，表示數據發(fā)送成功，否則，表示發(fā)生沖突，此時(shí)立即停止發(fā)送，并給定時(shí)器0設置一個(gè)隨機延時(shí)值，延時(shí)結束后重復上述過(guò)程。實(shí)現以上算法的C51程序如下［3］：

5　結　語(yǔ)

本文設計了一個(gè)基于RS485總線(xiàn)的單片機對等網(wǎng)絡(luò )，并用C51語(yǔ)言實(shí)現了該網(wǎng)絡(luò )。與常用的主從式的單片機網(wǎng)絡(luò )相比，對等網(wǎng)絡(luò )具有數據吞吐量大、節點(diǎn)與節點(diǎn)間可直接通信的特點(diǎn)，因此，特別適合通信量大、通信呈突發(fā)式或節點(diǎn)間通信頻繁的場(chǎng)合。該網(wǎng)絡(luò )已在門(mén)禁系統中實(shí)際應用。實(shí)踐表明，該方法是十分有效而靈活的。

參考文獻
［1］AndrewS．Tanenbaum計算機網(wǎng)絡(luò )［M］．第3版．北京：清華大學(xué)出版社，1998．
［2］馬忠梅．單片機的C語(yǔ)言應用程序設計［M］．修訂版．北京：北京航空航天出版社，1999．
［3］KeilC51使用技巧及實(shí)踐［DB］．