一種單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計

　　摘要： 融合單片機(jī)技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)包的格式和控制方式以及引入幀檢測序列，設(shè)計基于AT89S52的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)多機(jī)通信協(xié)議；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型；網(wǎng)絡(luò)接口電路采用端口轉(zhuǎn)發(fā)的形式等進(jìn)行單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)易于擴(kuò)展且提高了穩(wěn)定性。結(jié)果表明，此系統(tǒng)設(shè)計解決了8位單片機(jī)多機(jī)通信的問題，實現(xiàn)了客戶機(jī)與服戶機(jī)間的通信，以及客戶機(jī)與客戶機(jī)間的通信。

　　關(guān)鍵字：單片機(jī)；通信協(xié)議；數(shù)據(jù)包；幀；網(wǎng)絡(luò)接口

　　1  引言

　　隨著單片機(jī)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用也從獨立的單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，由計算機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個方向。二者的結(jié)合，充分發(fā)揮了單片機(jī)在實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理上的優(yōu)點。單片機(jī)在計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理等都有廣泛地應(yīng)用，已滲透到我們生活的各個領(lǐng)域。許多應(yīng)用都涉及到單片機(jī)多機(jī)通信。然而，單片機(jī)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理方式不同于通用計算機(jī)系統(tǒng)，尤其有的單片機(jī)只提供8位的數(shù)據(jù)收發(fā)接口，在一定程度上阻礙了單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用。因此，采用單片機(jī)技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的辦法 ，對單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，在設(shè)計單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型，網(wǎng)絡(luò)接口電路采用端口轉(zhuǎn)發(fā)的形式，實現(xiàn)了8位單片機(jī)多機(jī)通信。

　　2  系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計

　　擬定網(wǎng)絡(luò)容量為1臺服務(wù)機(jī)和62臺客戶機(jī)，客戶機(jī)之間可以相互通信?？蛻魴C(jī)和服務(wù)機(jī)之間也可以相互通信。設(shè)計的協(xié)議考了停止等待協(xié)議，數(shù)據(jù)包參考了IP數(shù)據(jù)包而設(shè)計。經(jīng)過綜合分析和優(yōu)化處理，制定如下單片機(jī)多機(jī)通信協(xié)議。

　　（1）服務(wù)機(jī)協(xié)議

　?、俜?wù)機(jī)按1/384的間隔發(fā)送詢問數(shù)據(jù)包；

　　②將當(dāng)前詢問地址加1，判斷，如果大于63則置當(dāng)前詢問地址為1，如果小于1則置當(dāng)前詢問地址為62，轉(zhuǎn)下一步；

　?、巯虍?dāng)前詢問地址機(jī)器發(fā)送一詢問數(shù)據(jù)包；

　?、艿却粋€發(fā)送間隔時間；

　?、萑绻麤]有收到確認(rèn)包則轉(zhuǎn)到將當(dāng)前數(shù)據(jù)包重發(fā)，重發(fā)計數(shù)器加1，計數(shù)器大于2則轉(zhuǎn)向⑥；如果收到確認(rèn)包轉(zhuǎn)到⑦；

　?、拊O(shè)置發(fā)送失敗標(biāo)記，重發(fā)計數(shù)器清0，轉(zhuǎn)到②；

　?、咴O(shè)置發(fā)送成功標(biāo)記，重發(fā)計數(shù)器清0，轉(zhuǎn)到⑧；

　　⑧查看被詢問客戶機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，有則分配總線使用權(quán)和時間片，轉(zhuǎn)到⑨，否則轉(zhuǎn)到②；

　?、岬却辉儐柨蛻魴C(jī)的發(fā)送結(jié)束數(shù)據(jù)包，如果收到轉(zhuǎn)到②。在一個時間片（1/384s）內(nèi)，沒有收到，視為超時。服務(wù)機(jī)收回總線使用權(quán)，轉(zhuǎn)到②。

　　（2）客戶機(jī)協(xié)議

　?、俳邮諏儆诒緳C(jī)的數(shù)據(jù)包；

　?、谌绻窃儐枖?shù)據(jù)包，檢查本機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有，則發(fā)送"有數(shù)據(jù)發(fā)送信息"到服務(wù)機(jī)，并捎帶確認(rèn)轉(zhuǎn)到③，否則發(fā)送"沒有數(shù)據(jù)發(fā)送信息"到服務(wù)機(jī)，并捎帶確認(rèn)，轉(zhuǎn)到①；其它類型數(shù)據(jù)包不處理，轉(zhuǎn)到①；

　?、鄣却W(wǎng)絡(luò)資源分配數(shù)據(jù)包，收到則發(fā)送確認(rèn)包，轉(zhuǎn)到⑤；超時，停止等待轉(zhuǎn)到①；

　?、艿却弦粩?shù)據(jù)包的確認(rèn)，收到則轉(zhuǎn)到⑤，否則轉(zhuǎn)到⑦；

　?、輽z查是否還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，有則發(fā)送數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)到⑥；否則發(fā)送"結(jié)束發(fā)送信息"到服務(wù)機(jī)，轉(zhuǎn)到①。

　?、迿z查是否超時，如果超時結(jié)束發(fā)送轉(zhuǎn)到①，否則轉(zhuǎn)到④。

　?、咧匕l(fā)，是否超過兩次，是則當(dāng)前發(fā)送失敗，轉(zhuǎn)到⑤，否則轉(zhuǎn)到④。

　　因此，每發(fā)一數(shù)據(jù)包都會請求對方的確認(rèn)，如果沒有確認(rèn)，則會再重發(fā)一次，超過兩次則被視為對方不可達(dá)，發(fā)送失敗；并且在被詢問客戶機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送時，如果總線空閑，服務(wù)機(jī)將分配其使用時間片，在這個時間片內(nèi)，如果數(shù)據(jù)未發(fā)送完成，服務(wù)機(jī)將強(qiáng)行收回。能發(fā)送完成，客戶機(jī)要發(fā)送結(jié)束數(shù)據(jù)包，歸還總線使用權(quán)。

　　3  系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

　　選用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各站直接連在總線上，由服務(wù)機(jī)統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)總線，分配網(wǎng)絡(luò)資源。使用類似于令牌總線網(wǎng)的協(xié)議，由服務(wù)機(jī)輪詢每一客戶機(jī)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有分配發(fā)送時間，移交總線使用權(quán)，否則詢問下一客戶機(jī)；其中接口電路會將所接收到信號中繼，并轉(zhuǎn)發(fā)。因此網(wǎng)絡(luò)中任意一臺機(jī)器所發(fā)送的數(shù)據(jù)對其它機(jī)器都是可見的，并且在一定程度上保證了信號的可靠性。

　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計如下圖所示：

　　圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

　　4  網(wǎng)絡(luò)接口電路的功能與設(shè)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(shù)據(jù)元的接收；②對接收到的數(shù)據(jù)元轉(zhuǎn)發(fā)給其它端口；③多端口機(jī)制，端口間相互轉(zhuǎn)發(fā)；④提交收到的數(shù)據(jù)元；⑤中繼收到的數(shù)據(jù)元；⑥提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號；⑦各端口之間同構(gòu)，使用交叉線。

　　（2）網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計

　　為實現(xiàn)上述功能要求，網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計時一共采用了四片74HC245芯片，共同承擔(dān)數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，其中每一塊芯片對應(yīng)一個端口。在外表現(xiàn)為三個端口，這是因為有一個端口被本機(jī)占用，電路已布置在線路板上。各端口之間用交叉線連接，當(dāng)檢測到收線上有信號時，芯片開始啟動工作，將信號分成三路中繼出來，一路發(fā)給單片機(jī)，其它兩種發(fā)給另外的兩個端口。在收方的收收線上如果檢測到同樣的信號，則進(jìn)行同樣的操作。當(dāng)單片機(jī)向外界發(fā)送數(shù)據(jù)時，就啟動對應(yīng)于單片機(jī)收發(fā)端口上的芯片，將信號中繼后發(fā)送給另外的三個端口，并隨時檢測收線信號的變化，一旦檢測到電平信號由高倒低的變化一次，即說明有數(shù)據(jù)需要接收，接收完后將產(chǎn)生一中斷信號，啟動處理程序進(jìn)行處理。

　　網(wǎng)絡(luò)接口電路中設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號BUS，當(dāng)各芯片都沒有工作時，表示網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)傳輸，這時BUS經(jīng)非門電路取反變成低電平，與單片機(jī)二號中斷引腳相連，單片機(jī)可以通過這一引腳撐握網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

　　網(wǎng)絡(luò)接口電路中還設(shè)計了指標(biāo)信號，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時信號便置高，這時接在信號上的LED發(fā)光管將會發(fā)光，以表示收到數(shù)據(jù)。

　　5   客戶機(jī)與服務(wù)機(jī)電路設(shè)計

　　系統(tǒng)中有客戶機(jī)和服務(wù)機(jī)兩種不同的電路。將客戶機(jī)電路和服務(wù)機(jī)電路整合在一個電路板上
，即兩種電路用同一塊電路板表現(xiàn)出來。

　　對于客戶機(jī)，客戶不需要部門控制電路，但其需要編址，故需要地址獲取電路。

　　對于服務(wù)機(jī)，它不需要編址，統(tǒng)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(jī)擔(dān)負(fù)著整個網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管與輪詢工作。

　　其它電路客戶機(jī)與服務(wù)機(jī)均同構(gòu)，所以不需要做任何修改。

　　電路板上，采取不插器件的方式實現(xiàn)兩種不同構(gòu)的電路在同一電路板上實現(xiàn)，大大地壓縮開發(fā)成本。

　　6  系統(tǒng)功能模塊圖

　　（1） 系統(tǒng)功能：

　　服務(wù)器部分

　　① 完成網(wǎng)絡(luò)的輪詢，每隔一定時間向網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器發(fā)出詢問數(shù)據(jù)包。

　　② 讀取ADC數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前環(huán)境溫度

　?、?控制一個調(diào)風(fēng)閥，顯示電機(jī)角度數(shù)據(jù)

　　④ 掃描鍵盤，提供按鍵控制

　?、?從網(wǎng)絡(luò)中收集調(diào)風(fēng)閥信息，智能控制風(fēng)機(jī)的開啟

　?、?控制本實驗室照明電路的開、關(guān)

　?、?能夠接管網(wǎng)絡(luò)中任意一臺客戶機(jī)

　　客戶機(jī)部分

　?、?接收服務(wù)機(jī)的輪詢，發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包

　?、?讀取ADC數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前環(huán)境溫度

　?、?控制一個調(diào)風(fēng)閥，顯示電機(jī)角度數(shù)據(jù)

　?、?掃描鍵盤，提供按鍵控制

　　⑤ 讀取本機(jī)地址

　?、?接收來自服務(wù)器的管理操作

　　（2）功能劃分：

　　軟件系統(tǒng)采用模塊化的方式，每個設(shè)備編寫一個驅(qū)動程序。驅(qū)動程序負(fù)責(zé)驅(qū)動其所控制的設(shè)備。并向其它程序提供接口，方便其它程序調(diào)用，控制設(shè)備。

　　各個驅(qū)動功能劃分如下：

　　① 數(shù)碼管驅(qū)動程序：驅(qū)動數(shù)據(jù)管顯示，按指定方式顯示數(shù)據(jù)。

　　② 鍵盤驅(qū)動程序：動態(tài)掃描鍵盤，判別按鍵，并避開電路毛刺。

　?、?蜂鳴器驅(qū)動程序：驅(qū)動蜂鳴器安指定方式發(fā)聲。

　?、?ADC驅(qū)動程序：讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)值。

　?、?串口驅(qū)動程序：收發(fā)數(shù)據(jù)包，過濾非本機(jī)數(shù)據(jù)包

　　其中還有一個輪詢模塊，它在時鐘的驅(qū)動下按一定間隔時間向網(wǎng)絡(luò)中各臺客戶機(jī)發(fā)送詢問數(shù)據(jù)包。如果兩次沒有收到回應(yīng)，則視發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗。并能夠向被接管的客戶機(jī)發(fā)送管理數(shù)據(jù)包。同樣也需要確認(rèn)，超過兩次則視為失敗。

　　系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

　　                 圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

　　由圖可知，所有的驅(qū)動程序都掛靠在時鐘中斷上，由時鐘中斷按一定的頻率調(diào)用這些驅(qū)動程序。

　　7 小結(jié)

　　系統(tǒng)設(shè)計了一個基于網(wǎng)絡(luò)控制和管理的控制系統(tǒng)。它將計算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行融合，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計參考計算機(jī)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(yīng)于單片機(jī)處理，優(yōu)化了數(shù)據(jù)包的格式和控制方式，大大提高了處理速度和效率。同時，引入幀檢測序列，提供數(shù)據(jù)包的檢測機(jī)制，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型，網(wǎng)絡(luò)接口電路采用端口轉(zhuǎn)發(fā)的形式，便于擴(kuò)展且提高了穩(wěn)定性。此系統(tǒng)設(shè)計功能齊全可以通過服務(wù)器控制整個網(wǎng)絡(luò)的所有客戶機(jī)，監(jiān)視所有客戶機(jī)運行情況；系統(tǒng)操作簡單，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義和實用價值。

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