基于A(yíng)VR ATmega128的工業(yè)網(wǎng)關(guān)的實(shí)現

摘要：介紹一種橋接不同現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的解決方案。該方案采用高性能AVRATmega128為其控制核心。AVRATmega128采用ModBus/RTU協(xié)議與計算機通信，通過(guò)多處理器通信模式與其他分控設備通信。本方案經(jīng)過(guò)在實(shí)際中運行，證明其設計是可行的。
關(guān)鍵詞：AVRATmega128、Modbus/RTU、AVR多處理器通信模式、CRC16

1 引言

如今，電子技術(shù)發(fā)展迅猛，尤其是單片機已廣泛地應用于通信、交通、家用電器、便攜式智能儀表、機器人制作等領(lǐng)域，產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提高，且電路簡(jiǎn)單，故障率低，可靠性高，成本低廉。在單片機某些應用方面，對網(wǎng)絡(luò )靈活性和多樣性需求的不斷增加，網(wǎng)絡(luò )之間的互聯(lián)顯得越來(lái)越重要。工業(yè)網(wǎng)關(guān)為橋接不同現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供了一種解決方案。

2 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

網(wǎng)絡(luò )連接的拓撲結構如圖1所示。

（圖1）

RS-232C是廣泛應用的串口通信標準，但因其推出較早，在現代網(wǎng)絡(luò )通信中已暴露出數據傳輸速度慢、傳輸距離短、接口處各信號間容易產(chǎn)生干擾等明顯的缺點(diǎn)。RS-485是一種多發(fā)送器的電路標準，它擴展了RS-422A的性能，允許雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)32個(gè)負載設備，負載設備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器，RS-485最大傳輸距離為1200m,最大傳送速率可達10Mb/s。因此，RS-485在遠程通信和多機總線(xiàn)系統中具有很大的吸引力。

如圖1所示，將AVR ATmega128的標準的通用異步接收/發(fā)送通信接口0（UART0）轉換成半雙工485串口。同樣，PC機的RS-232C串口也轉換成485串口。它們之間采用Modbus/RTU協(xié)議進(jìn)行通信，AVR ATmega128作為從設備。AVR ATmega128與其下行的AVR分控設備通過(guò)485串行總線(xiàn)并在一起。它們之間采用AVR單片機特有的多機通信方式進(jìn)行通信。其中AVR ATmega128是主控設備，其他的AVR分控設備是從控設備。

3 AVR ATmega128單片機

ATmega128單片機為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執行時(shí)間，ATmega128單片機的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，故可以緩減系統的功耗和處理速度之間的矛盾。AVR單片機內核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復雜指令集微處理器高10倍的數據吞吐量。ATmega128單片機內部帶有128KB的系統內可編程Flash程序存儲器，具有在寫(xiě)的過(guò)程中還可以讀的能力，即同時(shí)讀寫(xiě)(RWW); 4KB的EEPROM；4KB的SRAM；53個(gè)通用I/O端口線(xiàn)；32個(gè)通用工作寄存器；實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)；4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/記數器(T/C)；2個(gè)USART；面向字節的兩線(xiàn)接口(TWI)；8通道10位ADC；可選的可編程增益；片內振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；串行外圍設備接口(SPI)；與IEEE 1149.1規范兼容的JTAG測試接口，此接口同時(shí)還可以用于片上調試；6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。

4 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )（例如以太網(wǎng)）和其他設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行集中監控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪(fǎng)問(wèn)其它設備的過(guò)程，如果回應來(lái)自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。當在一Modbus網(wǎng)絡(luò )上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò )上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉換為在此網(wǎng)絡(luò )上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網(wǎng)絡(luò )解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

Modbus網(wǎng)絡(luò )能設置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種進(jìn)行通信。用戶(hù)選擇想要的模式，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò )上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。

當控制器設為在Modbus網(wǎng)絡(luò )上以RTU（遠程終端單元）模式通信，在消息中的每個(gè)8Bit字節包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數據。

代碼系統：

8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數0．．．９，A．．．Ｆ

消息中的每個(gè)8位域都是一個(gè)兩個(gè)十六進(jìn)制字符組成

每個(gè)字節的位：

1個(gè)起始位

8個(gè)數據位，最小的有效位先發(fā)送

1個(gè)奇偶校驗位，無(wú)校驗則無(wú)

1個(gè)停止位（有校驗時(shí)），2個(gè)Bit（無(wú)校驗時(shí)）

錯誤檢測域

CRC（循環(huán)冗長(cháng)檢測）

使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。在網(wǎng)絡(luò )下多樣的字符時(shí)間，這是最容易實(shí)現的（如下圖2所示）。傳輸的第一個(gè)域是設備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M(jìn)制的0…9,A…F。網(wǎng)絡(luò )設備不斷偵測網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)，包括停頓間隔時(shí)間內。當第一域（地址域）接收到，每個(gè)設備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標定了消息的結束。一個(gè)新的消息可在停頓后開(kāi)始。

整個(gè)消息幀必須作為一連續的流傳輸。如果在幀完成之前有超過(guò) 3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個(gè)新消息的地址域。同樣地，如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內接著(zhù)前個(gè)消息開(kāi)始，接收的設備將認為它是前一消息的延續。這將導致一個(gè)錯誤，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的。一典型的RTU消息幀如下所示：

當消息在標準的Modbus系列網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)，每個(gè)字符或字節以如下方式發(fā)送（從左到右）：最低有效位．．．最高有效位。

使用RTU字符幀時(shí)，位的序列是：

有奇偶校驗

無(wú)奇偶校驗

5 CRC16檢測

循環(huán)冗余碼CRC檢驗技術(shù)廣泛應用于測控及通信領(lǐng)域。CRC計算可以靠專(zhuān)用的硬件來(lái)實(shí)現，但是對于低成本的微控制器系統，在沒(méi)有硬件支持下實(shí)現CRC檢驗，關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何通過(guò)軟件來(lái)完成CRC計算，也就是CRC算法的問(wèn)題。計算CRC16有三種算法：按位計算CRC、字節計算CRC、半字節計算CRC。這三種算法它們稍有不同，按位求法速度較慢，但占用最小的內存空間；按字節查表求CRC的方法速度較快，但占用較大的內存；按半字節查表求CRC的方法是前兩者的均衡，即不會(huì )占用太多的內存，同時(shí)速度又不至于太慢，比較適合8位小內存的單片機的應用場(chǎng)合。

6 AVR單片機多處理器通信模式

置位UCSRA 的多處理器通信模式位(MPCM) 可以對USART 接收器接收到的數據幀進(jìn)行過(guò)濾。那些沒(méi)有地址信息的幀將被忽略，也不會(huì )存入接收緩沖器。在一個(gè)多處理器系統中，處理器通過(guò)同樣的串行總線(xiàn)進(jìn)行通信，這種過(guò)濾有效的減少了需要CPU 處理的數據幀的數量。MPCM位的設置不影響發(fā)送器的工作，但在使用多處理器通信模式的系統中，它的使用方法會(huì )有所不同。如果接收器所接收的數據幀長(cháng)度為5 到8 位，那么第一個(gè)停止位表示這一幀包含的是數據還是地址信息。如果接收器所接收的數據幀長(cháng)度為9 位，那么由第9 位(RXB8) 來(lái)確定是數據還是地址信息。如果確定幀類(lèi)型的位( 第一個(gè)停止位或第9 個(gè)數據位) 為1，那么這是地址幀，否則為數據幀。在多處理器通信模式下，多個(gè)從處理器可以從一個(gè)主處理器接收數據。首先要通過(guò)解碼地址幀來(lái)確定所尋址的是哪一個(gè)處理器。如果尋址到某一個(gè)處理器，它將正常接收后續的數據，而其他的從處理器會(huì )忽略這些幀直到接收到另一個(gè)地址幀。

對于一個(gè)作為主機的處理器來(lái)說(shuō)，它可以使用9 位數據幀格式(UCSZ = 7)。如果傳輸的是一個(gè)地址幀(TXB8 = 1) 就將第9 位(TXB8) 置1，如果是一個(gè)數據幀(TXB = 0) 就將它清零。在這種幀格式下，從處理器必須工作于9 位數據幀格式。

下面即為在多處理器通信模式下進(jìn)行數據交換的步驟：

5.1 所有從處理器都工作在多處理器通信模式(UCSRA 寄存器的MPCM 置位)。

5.2 主處理器發(fā)送地址幀后，所有從處理器都會(huì )接收并讀取此幀。從處理器UCSRA寄存器的RXC 正常置位。

5.3 每一個(gè)從處理器都會(huì )讀取UDR 寄存器的內容已確定自己是否被選中。如果選中，就清零UCSRA 的MPCM 位，否則它將等待下一個(gè)地址字節的到來(lái)，并保持MPCM 為1。

5.4 被尋址的從處理器將接收所有的數據幀，直到收到一個(gè)新的地址幀。而那些保持MPCM 位為1 的從處理器將忽略這些數據。

5.5被尋址的處理器接收到最后一個(gè)數據幀后，它將置位MPCM，并等待主處理器發(fā)送下一個(gè)地址幀。然后第2 步之后的步驟重復進(jìn)行。

使用5 至8 比特的幀格式是可以的，但是不實(shí)際，因為接收器必須在使用n 和n+1 幀格式之間進(jìn)行切換。由于接收器和發(fā)送器使用相同的字符長(cháng)度設置，這種設置使得全雙工操作變得很困難。如果使用5 至8 比特的幀格式，發(fā)送器應該設置兩個(gè)停止位(USBS = 1)，其中的第一個(gè)停止位被用于判斷幀類(lèi)型。不要使用讀- 修改- 寫(xiě)指令(SBI 和CBI) 來(lái)操作MPCM 位。MPCM 和TXC 標志使用相同的I/O 單元，使用SBI 或CBI 指令可能會(huì )不小心將它清零。在本設計方案中，AVR ATmega128作為多處理器通信模式中的主處理器，其他的AVR分控設備做為從處理器。

7結束語(yǔ)

采用本方案所介紹的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，由于A(yíng)VR ATmega128與上位機之間通信是基于Modbus標準協(xié)議，而與其他的AVR分控設備之間采用AVR單片機所特有的多處理器通信。因此，在保證系統開(kāi)放性的同時(shí)，又能保證數據處理效率的提高。在交通控制、智能化停車(chē)場(chǎng)管理系統等方面，本設計方案有一定的參考價(jià)值。

參考文獻

[1] 陳冬云，杜敬倉，任柯燕． ATmega 128單片機原理與開(kāi)發(fā)指導．機械工業(yè)出版社，2006．

[2] Richard Barnett，Larry O’Cull，Sarah Cox． 嵌入式C編程與Atmel AVR．北京:清華大學(xué)出版社，2003．

[3] Modicon．Modbus Protocol Reference Guide．1996

[4] 朱懿，蔣念平．ModBus協(xié)議在工業(yè)控制系統中的應用．微計算機信息，2006，４-1：118-120．