一種單片機多機通信系統的設計

　　摘要： 融合單片機技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，優(yōu)化數據包的格式和控制方式以及引入幀檢測序列，設計基于A(yíng)T89S52的單片機網(wǎng)絡(luò )的單片機多機通信協(xié)議；系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用總線(xiàn)型；網(wǎng)絡(luò )接口電路采用端口轉發(fā)的形式等進(jìn)行單片機多機通信系統的設計，系統易于擴展且提高了穩定性。結果表明，此系統設計解決了8位單片機多機通信的問(wèn)題，實(shí)現了客戶(hù)機與服戶(hù)機間的通信，以及客戶(hù)機與客戶(hù)機間的通信。

　　關(guān)鍵字：單片機；通信協(xié)議；數據包；幀；網(wǎng)絡(luò )接口

　　1  引言

　　隨著(zhù)單片機和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機的應用也從獨立的單機向網(wǎng)絡(luò )發(fā)展，由計算機和單片機構成的多機網(wǎng)絡(luò )系統已成為單片機技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。二者的結合，充分發(fā)揮了單片機在實(shí)時(shí)數據采集和數據管理上的優(yōu)點(diǎn)。單片機在計算機的網(wǎng)絡(luò )通訊與數據傳輸、工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數據處理等都有廣泛地應用，已滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。許多應用都涉及到單片機多機通信。然而，單片機對網(wǎng)絡(luò )數據的處理方式不同于通用計算機系統，尤其有的單片機只提供8位的數據收發(fā)接口，在一定程度上阻礙了單片機在網(wǎng)絡(luò )方面的應用。因此，采用單片機技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合的辦法 ，對單片機多機通信系統進(jìn)行研究，在設計單片機網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議的基礎上，系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用總線(xiàn)型，網(wǎng)絡(luò )接口電路采用端口轉發(fā)的形式，實(shí)現了8位單片機多機通信。

　　2  系統網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設計

　　擬定網(wǎng)絡(luò )容量為1臺服務(wù)機和62臺客戶(hù)機，客戶(hù)機之間可以相互通信?？蛻?hù)機和服務(wù)機之間也可以相互通信。設計的協(xié)議考了停止等待協(xié)議，數據包參考了IP數據包而設計。經(jīng)過(guò)綜合分析和優(yōu)化處理，制定如下單片機多機通信協(xié)議。

　　（1）服務(wù)機協(xié)議

　?、俜?wù)機按1/384的間隔發(fā)送詢(xún)問(wèn)數據包；

　?、趯斍霸?xún)問(wèn)地址加1，判斷，如果大于63則置當前詢(xún)問(wèn)地址為1，如果小于1則置當前詢(xún)問(wèn)地址為62，轉下一步；

　?、巯虍斍霸?xún)問(wèn)地址機器發(fā)送一詢(xún)問(wèn)數據包；

　?、艿却粋€(gè)發(fā)送間隔時(shí)間；

　?、萑绻麤](méi)有收到確認包則轉到將當前數據包重發(fā)，重發(fā)計數器加1，計數器大于2則轉向⑥；如果收到確認包轉到⑦；

　?、拊O置發(fā)送失敗標記，重發(fā)計數器清0，轉到②；

　?、咴O置發(fā)送成功標記，重發(fā)計數器清0，轉到⑧；

　?、嗖榭幢辉?xún)問(wèn)客戶(hù)機是否有數據要發(fā)送，有則分配總線(xiàn)使用權和時(shí)間片，轉到⑨，否則轉到②；

　?、岬却辉?xún)問(wèn)客戶(hù)機的發(fā)送結束數據包，如果收到轉到②。在一個(gè)時(shí)間片（1/384s）內，沒(méi)有收到，視為超時(shí)。服務(wù)機收回總線(xiàn)使用權，轉到②。

　　（2）客戶(hù)機協(xié)議

　?、俳邮諏儆诒緳C的數據包；

　?、谌绻窃?xún)問(wèn)數據包，檢查本機是否有數據要發(fā)送，如果有，則發(fā)送"有數據發(fā)送信息"到服務(wù)機，并捎帶確認轉到③，否則發(fā)送"沒(méi)有數據發(fā)送信息"到服務(wù)機，并捎帶確認，轉到①；其它類(lèi)型數據包不處理，轉到①；

　?、鄣却W(wǎng)絡(luò )資源分配數據包，收到則發(fā)送確認包，轉到⑤；超時(shí)，停止等待轉到①；

　?、艿却弦粩祿拇_認，收到則轉到⑤，否則轉到⑦；

　?、輽z查是否還有數據要發(fā)送，有則發(fā)送數據包轉到⑥；否則發(fā)送"結束發(fā)送信息"到服務(wù)機，轉到①。

　?、迿z查是否超時(shí)，如果超時(shí)結束發(fā)送轉到①，否則轉到④。

　?、咧匕l(fā)，是否超過(guò)兩次，是則當前發(fā)送失敗，轉到⑤，否則轉到④。

　　因此，每發(fā)一數據包都會(huì )請求對方的確認，如果沒(méi)有確認，則會(huì )再重發(fā)一次，超過(guò)兩次則被視為對方不可達，發(fā)送失??；并且在被詢(xún)問(wèn)客戶(hù)機有數據發(fā)送時(shí)，如果總線(xiàn)空閑，服務(wù)機將分配其使用時(shí)間片，在這個(gè)時(shí)間片內，如果數據未發(fā)送完成，服務(wù)機將強行收回。能發(fā)送完成，客戶(hù)機要發(fā)送結束數據包，歸還總線(xiàn)使用權。

　　3  系統網(wǎng)絡(luò )拓撲設計

　　選用總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，各站直接連在總線(xiàn)上，由服務(wù)機統一管理網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)，分配網(wǎng)絡(luò )資源。使用類(lèi)似于令牌總線(xiàn)網(wǎng)的協(xié)議，由服務(wù)機輪詢(xún)每一客戶(hù)機是否有數據發(fā)送，如果有分配發(fā)送時(shí)間，移交總線(xiàn)使用權，否則詢(xún)問(wèn)下一客戶(hù)機；其中接口電路會(huì )將所接收到信號中繼，并轉發(fā)。因此網(wǎng)絡(luò )中任意一臺機器所發(fā)送的數據對其它機器都是可見(jiàn)的，并且在一定程度上保證了信號的可靠性。

　　系統網(wǎng)絡(luò )拓撲設計如下圖所示：

　　圖1系統網(wǎng)絡(luò )拓撲設計

　　4  網(wǎng)絡(luò )接口電路的功能與設計

　?。?）網(wǎng)絡(luò )接口電路的功能

　　網(wǎng)絡(luò )接口電路完成的主要功能如下：①完成網(wǎng)絡(luò )數據元的接收；②對接收到的數據元轉發(fā)給其它端口；③多端口機制，端口間相互轉發(fā)；④提交收到的數據元；⑤中繼收到的數據元；⑥提供網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信號；⑦各端口之間同構，使用交叉線(xiàn)。

　　（2）網(wǎng)絡(luò )接口電路的設計

　　為實(shí)現上述功能要求，網(wǎng)絡(luò )接口電路設計時(shí)一共采用了四片74HC245芯片，共同承擔數據的收發(fā)工作，其中每一塊芯片對應一個(gè)端口。在外表現為三個(gè)端口，這是因為有一個(gè)端口被本機占用，電路已布置在線(xiàn)路板上。各端口之間用交叉線(xiàn)連接，當檢測到收線(xiàn)上有信號時(shí)，芯片開(kāi)始啟動(dòng)工作，將信號分成三路中繼出來(lái)，一路發(fā)給單片機，其它兩種發(fā)給另外的兩個(gè)端口。在收方的收收線(xiàn)上如果檢測到同樣的信號，則進(jìn)行同樣的操作。當單片機向外界發(fā)送數據時(shí)，就啟動(dòng)對應于單片機收發(fā)端口上的芯片，將信號中繼后發(fā)送給另外的三個(gè)端口，并隨時(shí)檢測收線(xiàn)信號的變化，一旦檢測到電平信號由高倒低的變化一次，即說(shuō)明有數據需要接收，接收完后將產(chǎn)生一中斷信號，啟動(dòng)處理程序進(jìn)行處理。

　　網(wǎng)絡(luò )接口電路中設計了網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信號BUS，當各芯片都沒(méi)有工作時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有數據傳輸，這時(shí)BUS經(jīng)非門(mén)電路取反變成低電平，與單片機二號中斷引腳相連，單片機可以通過(guò)這一引腳撐握網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，實(shí)現數據包的發(fā)送。

　　網(wǎng)絡(luò )接口電路中還設計了指標信號，當收到數據時(shí)信號便置高，這時(shí)接在信號上的LED發(fā)光管將會(huì )發(fā)光，以表示收到數據。

　　5   客戶(hù)機與服務(wù)機電路設計

　　系統中有客戶(hù)機和服務(wù)機兩種不同的電路。將客戶(hù)機電路和服務(wù)機電路整合在一個(gè)電路板上
，即兩種電路用同一塊電路板表現出來(lái)。

　　對于客戶(hù)機，客戶(hù)不需要部門(mén)控制電路，但其需要編址，故需要地址獲取電路。

　　對于服務(wù)機，它不需要編址，統一固定為65這一地址，故不需要地址獲取這一部分電路。服務(wù)機擔負著(zhù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的監管與輪詢(xún)工作。

　　其它電路客戶(hù)機與服務(wù)機均同構，所以不需要做任何修改。

　　電路板上，采取不插器件的方式實(shí)現兩種不同構的電路在同一電路板上實(shí)現，大大地壓縮開(kāi)發(fā)成本。

　　6  系統功能模塊圖

　　（1） 系統功能：

　　服務(wù)器部分

　?、?完成網(wǎng)絡(luò )的輪詢(xún)，每隔一定時(shí)間向網(wǎng)絡(luò )中的機器發(fā)出詢(xún)問(wèn)數據包。

　?、?讀取ADC數據，顯示當前環(huán)境溫度

　?、?控制一個(gè)調風(fēng)閥，顯示電機角度數據

　?、?掃描鍵盤(pán)，提供按鍵控制

　?、?從網(wǎng)絡(luò )中收集調風(fēng)閥信息，智能控制風(fēng)機的開(kāi)啟

　?、?控制本實(shí)驗室照明電路的開(kāi)、關(guān)

　?、?能夠接管網(wǎng)絡(luò )中任意一臺客戶(hù)機

　　客戶(hù)機部分

　?、?接收服務(wù)機的輪詢(xún)，發(fā)送確認數據包

　?、?讀取ADC數據，顯示當前環(huán)境溫度

　?、?控制一個(gè)調風(fēng)閥，顯示電機角度數據

　?、?掃描鍵盤(pán)，提供按鍵控制

　?、?讀取本機地址

　?、?接收來(lái)自服務(wù)器的管理操作

　　（2）功能劃分：

　　軟件系統采用模塊化的方式，每個(gè)設備編寫(xiě)一個(gè)驅動(dòng)程序。驅動(dòng)程序負責驅動(dòng)其所控制的設備。并向其它程序提供接口，方便其它程序調用，控制設備。

　　各個(gè)驅動(dòng)功能劃分如下：

　?、?數碼管驅動(dòng)程序：驅動(dòng)數據管顯示，按指定方式顯示數據。

　?、?鍵盤(pán)驅動(dòng)程序：動(dòng)態(tài)掃描鍵盤(pán)，判別按鍵，并避開(kāi)電路毛刺。

　?、?蜂鳴器驅動(dòng)程序：驅動(dòng)蜂鳴器安指定方式發(fā)聲。

　?、?ADC驅動(dòng)程序：讀取模數轉換器數據，并轉換為溫度數值。

　?、?串口驅動(dòng)程序：收發(fā)數據包，過(guò)濾非本機數據包

　　其中還有一個(gè)輪詢(xún)模塊，它在時(shí)鐘的驅動(dòng)下按一定間隔時(shí)間向網(wǎng)絡(luò )中各臺客戶(hù)機發(fā)送詢(xún)問(wèn)數據包。如果兩次沒(méi)有收到回應，則視發(fā)送數據包失敗。并能夠向被接管的客戶(hù)機發(fā)送管理數據包。同樣也需要確認，超過(guò)兩次則視為失敗。

　　系統功能模塊圖如圖2所示。

　　                 圖2 系統功能模塊圖

　　由圖可知，所有的驅動(dòng)程序都掛靠在時(shí)鐘中斷上，由時(shí)鐘中斷按一定的頻率調用這些驅動(dòng)程序。

　　7 小結

　　系統設計了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò )控制和管理的控制系統。它將計算機機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和單片機技術(shù)進(jìn)行融合，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設計參考計算機網(wǎng)絡(luò )中的停止等待協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，但為了更好的適應于單片機處理，優(yōu)化了數據包的格式和控制方式，大大提高了處理速度和效率。同時(shí)，引入幀檢測序列，提供數據包的檢測機制，提高了網(wǎng)絡(luò )的可靠性。系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用總線(xiàn)型，網(wǎng)絡(luò )接口電路采用端口轉發(fā)的形式，便于擴展且提高了穩定性。此系統設計功能齊全可以通過(guò)服務(wù)器控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的所有客戶(hù)機，監視所有客戶(hù)機運行情況；系統操作簡(jiǎn)單，具有一定的經(jīng)濟意義和實(shí)用價(jià)值。

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