基于RS485總線的多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 2.2 RS-485RS485標(biāo)準(zhǔn)接口是單片機(jī)系統(tǒng)種常用的一種串行總線之一。RS-485通信方式RS-485標(biāo)準(zhǔn)是由EIA(電子工業(yè)協(xié)會(huì))和TIA(通訊工業(yè)協(xié)會(huì))共同制訂和開發(fā)的。RS-485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范,已成為業(yè)界最廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。理論上,RS-485標(biāo)準(zhǔn)最多接入32個(gè)設(shè)備(受芯片驅(qū)動(dòng)能力的影響),可以工作在半雙工或全雙工模式下,最大傳輸距離約為1219米,最大傳輸速率約為10Mbps1。然而通常RS-485網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體,平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比,只有在20Kbps的傳輸速率下,才可能達(dá)到最大傳輸

2、距離。一般15米長的雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。不過對(duì)于速率要求不是很高的控制系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。同時(shí)，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10Kbps速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá)12m，而用100Kbps時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。另外RS-485實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)互連，最多可達(dá)256臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和25

3、6臺(tái)接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信，而且可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。 2.3 多機(jī)通信原理在多機(jī)通信中，每臺(tái)從機(jī)均分配有一個(gè)從機(jī)地址，主機(jī)與從機(jī)之間進(jìn)行串行通信時(shí)，通常是主機(jī)先呼叫某從機(jī)地址，喚醒被叫從機(jī)后，主、從兩機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而未被呼叫的從機(jī)則繼續(xù)進(jìn)行各自的工作。可是，如果在主機(jī)與某被呼叫從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換過程中，其他從機(jī)如果不采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)，則這些從機(jī)就會(huì)因?yàn)榇型ㄐ啪€上有數(shù)據(jù)傳輸而時(shí)時(shí)被打斷，影響正常的工作。利用單片機(jī)的串口工作方式2、方式3可以很好解決上述問題。在多機(jī)通信過程中，從機(jī)首先要解決的是如何識(shí)別主機(jī)發(fā)送的是地址信息還是數(shù)據(jù)信息。當(dāng)發(fā)送的是地址信息時(shí)

4、，各從機(jī)都響應(yīng)串口中斷，接收主機(jī)下發(fā)的一幀地址數(shù)據(jù)。而當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，無關(guān)從機(jī)可不響應(yīng)串口中斷。解決的方法是：當(dāng)主機(jī)發(fā)送一幀地址信息時(shí)，應(yīng)保持這幀數(shù)據(jù)的第9位為1(即TB8=1)。從機(jī)按照工作方式2或工作方式3運(yùn)行時(shí)，將串口寄存器SCON中的控制位SM2置為1，當(dāng)所接收的一幀數(shù)據(jù)的第9位為1，所有從機(jī)都產(chǎn)生串口中斷，接收這一幀地址數(shù)據(jù)并與各自的從機(jī)地址進(jìn)行比較，以判斷主機(jī)是否要與本機(jī)通信。接收到的地址數(shù)據(jù)與從機(jī)地址相等達(dá)到為被呼叫從機(jī)，該從機(jī)將串口控制寄存器SCON中的控制位SM2清為0，去接收主機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀（數(shù)據(jù)幀的第9位為0），此時(shí)不管接收到的第9位數(shù)據(jù)是否為1或0，都要產(chǎn)生串口中

5、斷，這就保證了主機(jī)與被呼叫從機(jī)間的正常數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信結(jié)束后，該從機(jī)又重新將串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2置為1，為下一次與主機(jī)進(jìn)行通信做好準(zhǔn)備。其他從機(jī)則一直在SM2=1下繼續(xù)自己的工作，不會(huì)因?yàn)橹?、從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信而被打斷。多機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)，主要靠主、從機(jī)正確地設(shè)置與判斷多機(jī)通信控制位SM2和發(fā)送或接收的第9位數(shù)據(jù)（TB8或RB8）。當(dāng)主機(jī)給從機(jī)發(fā)送信息時(shí)，要根據(jù)發(fā)送信息的性質(zhì)來設(shè)置TB8，發(fā)送地址信號(hào)時(shí)，設(shè)置TB8=1；發(fā)送數(shù)據(jù)或命令時(shí)，設(shè)置TB8=0。當(dāng)從機(jī)的SM2為1時(shí)，該從機(jī)只接收地址幀（RB8位為1），對(duì)數(shù)據(jù)幀（RB8位為0）將不予理睬。而當(dāng)SM2為0時(shí)，該從機(jī)接收所

6、有發(fā)送來的信息。多機(jī)通信過程如下：（1） 使所有從機(jī)的SM2置1，處于只接收地址幀的狀態(tài)（即從機(jī)復(fù)位）；（2） 主機(jī)發(fā)送一地址幀信息，其中包含8位地址，第9位為地址、數(shù)據(jù)標(biāo)志位，第9位置1表示發(fā)送的是地址；（3） 從機(jī)接收到地址幀后，各自中斷CPU，把接收到的地址與本地址作比較；（4） 地址相符的從機(jī)，使SM2清零以接收主機(jī)隨后發(fā)來的所有信息，對(duì)于地址不相符的從機(jī)，仍保持SM2=1狀態(tài)，對(duì)主機(jī)隨后發(fā)送的數(shù)據(jù)不予理睬，直到主機(jī)發(fā)送來新的地址幀；（5） 主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或控制信息給被尋址的從機(jī)；（6） 被尋址的從機(jī)，因SM2=0，可以接收主機(jī)發(fā)送過來的所有數(shù)據(jù)，當(dāng)從機(jī)接收數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，置位SM2，返回接

7、收地址幀狀態(tài)（復(fù)位狀態(tài)）；（7） 當(dāng)主機(jī)改為與另外從機(jī)聯(lián)系時(shí)，可再發(fā)地址幀尋址其從機(jī)，而先前被尋址過的從機(jī)恢復(fù)SM2=1。第4章 系統(tǒng)問題及其解決4.1 通信規(guī)則 由于MAX485通訊是一種半雙工通訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在偵聽到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下，才能應(yīng)答。半雙工通訊對(duì)主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送和接收時(shí)序有嚴(yán)格的要求。如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通訊癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時(shí)序上的嚴(yán)格配合，必須要遵從以下幾項(xiàng)原則： （1） 復(fù)位時(shí)，主從機(jī)都應(yīng)該處于接

8、收狀態(tài)。 MAX485芯片的發(fā)送和接收功能轉(zhuǎn)換是由芯片的 RE* ，DE端控制的。RE*=1，DE=1時(shí)，MAX485發(fā)送狀態(tài)；RE*=0，DE=0時(shí)，MAX485處于接收狀態(tài)。一般使用單片機(jī)的一根口線連接RE*，DE端。在上電復(fù)位時(shí)，由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，并且單片機(jī)各端口復(fù)位后處于高電平狀態(tài)，這樣就會(huì)使總線上各個(gè)分機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，加上上電時(shí)各電路的不穩(wěn)定，可能向總線發(fā)送信息。因此，如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號(hào)，應(yīng)該將口線反向后接入MAX485的控制端，使上電時(shí)MAX485處于接收狀態(tài)。 另外，在主從機(jī)軟件上也應(yīng)附加若干處理措施，如：上電時(shí)或正式通訊之前，對(duì)串行口做幾次空操作，

9、清除端口的非法數(shù)據(jù)和命令。 （2） 控制端RE*，DE的信號(hào)的有效脈寬應(yīng)該大于發(fā)送或接收一幀信號(hào)的寬度。 在全雙工通訊過程中，發(fā)送和接收信號(hào)分別在不同的物理鏈路上傳輸，發(fā)送端始終為發(fā)送端，接收端始終為接收端，不存在發(fā)送、接收控制信號(hào)切換問題。在RS485半雙工通訊中，由于MAX485的發(fā)送和接收都由同一器件完成，并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路，必須對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行切換。控制信號(hào)何時(shí)為高電平，何時(shí)為低電平，一般以單片機(jī)的TXC(發(fā)送完成標(biāo)記)，RXC(接收完成標(biāo)記)信號(hào)作參考。 發(fā)送時(shí)，檢測TXC是否建立起來，當(dāng)TXC為高電平后關(guān)閉發(fā)送功能轉(zhuǎn)為接收功能； 接收時(shí)，檢測RXC是否建立起來，當(dāng)RXC為

10、高電平后，接收完畢，又可以轉(zhuǎn)為發(fā)送。 在理論上雖然行得通，但在實(shí)際聯(lián)調(diào)中卻出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)時(shí)錯(cuò)的現(xiàn)象。根據(jù)查證有關(guān)資料，并借助示波器反復(fù)測試，才發(fā)現(xiàn)一個(gè)值得注意的問題，我們可以查看單片機(jī)的時(shí)序： 單片機(jī)在串行口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只要將8位數(shù)據(jù)位傳送完畢，TXC標(biāo)志即建立，但此時(shí)應(yīng)發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)位（若發(fā)送地址幀時(shí)）和停止位尚未發(fā)出。如果在這是關(guān)閉發(fā)送控制，勢必造成發(fā)送幀數(shù)據(jù)不完整。如果單片機(jī)多機(jī)通訊采用較高的波特率，幾條操作指令的延時(shí)就可能超過2位（或1位）數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間，問題或許不會(huì)出現(xiàn)。但是如果采用較低波特率，如9600，發(fā)送一位數(shù)據(jù)需104s左右，單靠幾條操作指令的延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，問題就明顯地暴

11、露出來。接收數(shù)據(jù)時(shí)也同樣如此，單片機(jī)在接收完8個(gè)數(shù)據(jù)位后就建立起RXC信號(hào)，但此時(shí)還未接收到第九位數(shù)據(jù)位（若接收地址幀時(shí)）和停止位。所以，接收端必須延時(shí)大于2位數(shù)據(jù)位的時(shí)間（1位數(shù)據(jù)位時(shí)間=1/波特率），再作應(yīng)答，否則會(huì)發(fā)生總線沖突。 （3） 總線上所連接的各單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)序上完全隔開。 為了保證發(fā)送和接收信號(hào)的完整和正確，避免總線上信號(hào)的碰撞，對(duì)總線的使用權(quán)必須進(jìn)行分配才能避免競爭，連接到總線上的單機(jī)，其發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)間上要完全隔離。   總之，發(fā)送和接收控制信號(hào)應(yīng)該足夠?qū)挘员ＷC完整地接收一幀數(shù)據(jù)，任意兩個(gè)單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)間上完全分開，避免總線爭端。  

12、第5章 軟件設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該多機(jī)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示，系統(tǒng)采用半雙工主從通信方式，主機(jī)可以讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到從機(jī)，并將數(shù)據(jù)送終端進(jìn)行顯示；從機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)分布的電子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測或控制，用中斷的方式接收主機(jī)發(fā)來的命令并做出回應(yīng)。圖5-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2 通信協(xié)議5.2.1 信息格式該協(xié)議的信息格式如下： (1)編碼格式；二進(jìn)制代碼。 (2)波特率：9600 b/s。 (3)通信方式：半雙工。 (4)每個(gè)字符由u 位組成； 1位：起始位(0)； 8位：數(shù)據(jù)位； 1位：地址數(shù)據(jù)識(shí)別位(1為地址，o為數(shù)據(jù))； l位：停止位(1)。 (5)字符發(fā)送順序；低位在先 (6)幀結(jié)束

13、標(biāo)志：通信線路空閑3.5 ms以上 (7)幀校驗(yàn)方式：數(shù)據(jù)和(2字節(jié))(8)主機(jī)詢問的一般格式見表5-2：表5-2 主機(jī)詢問的一般格式 從機(jī)地址碼：兩字節(jié)二進(jìn)制數(shù)，后一字節(jié)是前一字節(jié)的反碼。命令碼：一字節(jié)二進(jìn)制數(shù)，O1H代表主機(jī)讀，02H代表主機(jī)寫。數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：表示主機(jī)要讀寫的字節(jié)個(gè)數(shù)，一字節(jié)二進(jìn)制數(shù)。校驗(yàn)和：兩字節(jié)二進(jìn)制數(shù)，是將從機(jī)地址碼、命令和數(shù)據(jù)按字節(jié)從頭依次相加，生成兩字節(jié)的校驗(yàn)和。 (9)從機(jī)應(yīng)答的一般格式(如表5-3)表5-3 從機(jī)應(yīng)答的一般格式圖中信息段的定義同圖2。5.2.2 定時(shí)與重發(fā) 本通信協(xié)議定時(shí)規(guī)定如下： (1)幀發(fā)送時(shí)限；70 ms超過此時(shí)限結(jié)束發(fā)送。 (2)主機(jī)等待從

14、機(jī)應(yīng)答時(shí)限：7 ms，超過此時(shí)限，酌情重發(fā)。 (3)主機(jī)重發(fā)次數(shù)：不超過4次，超過后，判通信失敗。5.2.3 通信過程 一次完整的通信過程分為3個(gè)階段：主機(jī)詢問、從機(jī)應(yīng)答和鏈路釋放。主機(jī)詢問階段，主機(jī)以幀的形式將從機(jī)地址碼、命令、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼傳送到指定從機(jī)；從機(jī)應(yīng)答階段，從機(jī)解釋接收的命令碼，并組織相應(yīng)幀信息回送到主機(jī)；鏈路釋放階段，從機(jī)清除接收緩沖區(qū)及相關(guān)變量，準(zhǔn)備與主機(jī)下次通信。任何一次完整的通信過程都是由主機(jī)方發(fā)起的，從機(jī)在被主機(jī)尋址前只能處于偵聽狀態(tài)，從機(jī)在接收到地址碼的第2個(gè)字節(jié)后，立即判斷是否尋址自己，如果是繼續(xù)接受下面的數(shù)據(jù)，否則不與理睬。5.3 通信軟件設(shè)計(jì)5.3.1 從機(jī)通信

15、軟件設(shè)計(jì)在該系統(tǒng)中，從機(jī)的主要任務(wù)是對(duì)被檢測設(shè)備進(jìn)行故障檢測和故障定位，通信軟件的主要功能是接收主機(jī)的命令并將檢測的結(jié)果回送主機(jī)。從機(jī)通信軟件由2部分組成：串行中斷服務(wù)程序和定時(shí)器TO中斷服務(wù)程序。串行中斷服務(wù)程序用于接收或發(fā)送數(shù)據(jù)；TO中斷服務(wù)程序用于當(dāng)從機(jī)接收完一幀信息后進(jìn)行解釋并啟動(dòng)通信向主機(jī)應(yīng)答，另外也用于當(dāng)從機(jī)發(fā)送超時(shí)后的一些處理。從機(jī)上電后處于偵聽狀態(tài)，當(dāng)主機(jī)尋址時(shí)，便進(jìn)人中斷服務(wù)程序，其程序流程圖如圖5-4所示。圖5-4 串行通信中斷服務(wù)程序流程圖首先判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，若是接收中斷，則清除RI，同時(shí)啟動(dòng)字符間隔定時(shí)器TO，并置收發(fā)標(biāo)志為收。當(dāng)接收完第2個(gè)字節(jié)后，各從機(jī)立

16、即判斷是否尋址本機(jī)，若是，則置SM2為0，繼續(xù)接收主機(jī)送來的數(shù)據(jù)；若不是，則禁止T0定時(shí)，不在接收后面的數(shù)據(jù)。當(dāng)被尋址從機(jī)接收完一幀信息后，字符間隔定時(shí)器會(huì)產(chǎn)生定時(shí)中斷，進(jìn)入TO中斷服務(wù)程序。圖5-5是TO中斷服務(wù)程序流程圖。圖5-5 TO中斷服務(wù)程序流程圖進(jìn)入TO中斷服務(wù)程序后，首先清除TO中斷請(qǐng)求標(biāo)志，停止TO定時(shí)器，接著判斷是接收完成還是發(fā)送超時(shí)，若是接收完成，再判斷校驗(yàn)和是否正確，若正確，對(duì)接收的命令進(jìn)行解釋，看是主機(jī)讀還是主機(jī)寫操作，若是主機(jī)讀，則將數(shù)據(jù)打包，送到專門用于通信的數(shù)組，接著，禁止接收，置本機(jī)為應(yīng)答工作方式，最后啟動(dòng)發(fā)送，發(fā)送第一個(gè)字節(jié)，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送時(shí)限定時(shí)器TO。當(dāng)一個(gè)

17、字節(jié)發(fā)送完后，便進(jìn)入通信中斷服務(wù)程序，繼續(xù)發(fā)送余下數(shù)據(jù)。如果在上邊判校驗(yàn)和時(shí)，發(fā)現(xiàn)不正確，則置SM2為1，恢復(fù)本機(jī)的偵聽狀態(tài)，以便接收主機(jī)的重發(fā)信息。5.3.2 主機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主機(jī)的主要任務(wù)是循環(huán)讀取從機(jī)的檢測結(jié)果，并送終端顯示，其通信軟件由3部分組成：主程序中負(fù)責(zé)尋址從機(jī)的尋址模塊、通信中斷服務(wù)程序和TO中斷服務(wù)程序。尋址模塊程序流程圖見圖5-6。圖5-6 尋址模塊程序流程圖對(duì)從機(jī)尋址是按照從機(jī)的編號(hào)順序進(jìn)行的，即從1號(hào)從機(jī)開始，主機(jī)發(fā)送該從機(jī)信息幀的第1個(gè)字節(jié)啟動(dòng)尋址，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送超時(shí)定時(shí)器TO，然后檢測通信結(jié)束標(biāo)志當(dāng)主機(jī)成功的接收到該從機(jī)的應(yīng)答信息后，便會(huì)置位該標(biāo)志，完成與該從機(jī)

18、的通信。接下來，尋址下一從機(jī)，直到所有從機(jī)都被尋址。最后，主機(jī)完成其它功能后，又從1號(hào)從機(jī)開始下一循環(huán)的尋址。通信中斷服務(wù)程序和TO中斷服務(wù)程的設(shè)計(jì)方法與從機(jī)的大同小異，在此不再介紹。第6章 程序設(shè)計(jì)程序是單片機(jī)靈魂，沒有對(duì)應(yīng)的程序，單片機(jī)系統(tǒng)是無法完成任何動(dòng)作的，解決所涉及的問題的。編寫程序必須對(duì)機(jī)器的指令系統(tǒng)非常的熟悉，而且不能脫離具體的機(jī)器，因此程序不能在不同的機(jī)器上通用。未了使本系統(tǒng)能夠成功運(yùn)行，程序是必不可少的，所以這次編寫了一個(gè)主機(jī)程序，兩個(gè)從機(jī)程序。6.1 主機(jī)程序如下：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include

19、<intrins.h>unsigned char cort=0;sbit P3_5=P35;/*按鍵掃描子程序*/key_serial() interrupt 0 using 1 +cort;/*發(fā)送子程序*/void master(void)if(cort=1)SBUF=0x01;while(TI!=1);TI=0;P3_5=0;SM2=0;while (RI!=1);RI=0;P2=SBUF;SM2=1;P3_5=1;if(cort=2) SBUF=0x02;while(TI!=1);TI=0;SM2=0;P3_5=0;while(RI!=1);RI=0;P2=SBUF;SM2

20、=1;P3_5=1;if(cort=3)cort=1;SM2=1;/*主程序*/void main(void)P2=0xff;TMOD=0x20;TL1=0xfd;TH1=0xfd;PCON=0x00;TR1=1;SCON=0xf8;EA=1;EX0=1;IT0=1;P3_5=1;while(1) master();/發(fā)送6.2 從機(jī)1程序如下：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include<intrins.h>unsigned char serial_receiver;sbit P3_5=P35;/*串行口中斷子程序*/v