姚高華　廖秋香　李 琛

計(jì)算機(jī)與單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

姚高華廖秋香李 琛

（梧州學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，廣西 梧州 543002）

介紹了工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)與單片機(jī)多機(jī)通信問題，提出了一種多機(jī)通信系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與單片機(jī)主機(jī)、單片機(jī)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的多機(jī)通信問題，滿足了設(shè)計(jì)要求。

多機(jī)通信；RS485；遠(yuǎn)程監(jiān)控；單片機(jī)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化程度不斷提高，社會(huì)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求不斷增大。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，一般采用主從機(jī)的多機(jī)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，具有很強(qiáng)的通用性，所以實(shí)際應(yīng)用中一般用計(jì)算機(jī)作為主機(jī)；單片機(jī)雖然數(shù)據(jù)處理能力不及計(jì)算機(jī)，但成本低、控制簡(jiǎn)單、使用方便，所以一般作為從機(jī)接收各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，并傳輸給主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，還可以遠(yuǎn)程監(jiān)控各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并接收主機(jī)的控制命令。

在工業(yè)控制中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和各類傳感器往往分布在不同的地方，具有分布式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此從機(jī)一般有很多個(gè)。為了實(shí)現(xiàn)主從機(jī)多機(jī)之間的通信，需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，硬件方面核心在通信接口問題，軟件方面的關(guān)鍵在于通信協(xié)議設(shè)計(jì)以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，包括三個(gè)組成部分：（1）計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過VC控制界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控；（2）單片機(jī)主機(jī)模塊，通過RS232接口與計(jì)算機(jī)上位機(jī)通信，通過RS485接口與多個(gè)單片機(jī)從機(jī)連接；（3）多個(gè)單片機(jī)從機(jī)模塊，主要用來接收多傳感器數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

用戶在使用本系統(tǒng)的時(shí)候，只需坐在電腦前面，通過計(jì)算機(jī)上位機(jī)的控制界面與單片機(jī)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單片機(jī)主機(jī)與多臺(tái)單片機(jī)從機(jī)之間利用RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從機(jī)的任務(wù)是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控和各種傳感器數(shù)據(jù)采集，并將結(jié)果返回給單片機(jī)主機(jī)，單片機(jī)主機(jī)再把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，計(jì)算機(jī)把數(shù)據(jù)處理后顯示在上位機(jī)的控制界面上，控制界面簡(jiǎn)單明了，易于操作。

在上位機(jī)控制界面上有一下拉列表，這個(gè)列表是給用戶選擇需要控制的從機(jī)編號(hào)，用戶通過點(diǎn)擊下拉列表的是三角形箭頭，可以彈出標(biāo)有各個(gè)從機(jī)的下拉菜單，用戶只需選中其中一個(gè)從機(jī)，就可以對(duì)該從機(jī)進(jìn)行操作。在監(jiān)測(cè)區(qū)域，有各個(gè)從機(jī)返回的各種數(shù)據(jù)，包括各從機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)、從機(jī)傳感器傳回的數(shù)據(jù)等；在控制區(qū)域，能夠利用上位機(jī)控制界面，遠(yuǎn)程控制各個(gè)從機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

圖1　多機(jī)通信系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案

2　硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多機(jī)通信硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括主控電路、串口通信接口電路、串口擴(kuò)展電路、RS485通信接口電路等。由于單片機(jī)的串口有限，該系統(tǒng)使用8251A作為單片機(jī)的串口擴(kuò)展芯片，它可以并行接收單片機(jī)數(shù)據(jù)串行發(fā)送出去，也可以串行接收數(shù)據(jù)并行傳遞給單片機(jī)。PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信，利用MAX232實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換，可以延長(zhǎng)電腦與單片機(jī)之間的通信距離。

單片機(jī)主機(jī)與從機(jī)均采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為核心處理器，它片內(nèi)有8K的ROM， 256字節(jié)的RAM以及32個(gè)I/0口，無需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，外部電路形式簡(jiǎn)潔。AT89S52單片機(jī)主要負(fù)責(zé)主機(jī)和各從機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及處理，主機(jī)單片機(jī)負(fù)責(zé)把從機(jī)返回的數(shù)據(jù)接收處理，并行發(fā)給8251A，控制8251A把數(shù)據(jù)串行反饋給PC機(jī)；從機(jī)單片機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)紅外接收管的電平變換，從而判斷門的開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)還負(fù)責(zé)收集溫度傳感器傳回的數(shù)據(jù)，此外從機(jī)處理器還負(fù)責(zé)接收主單片機(jī)發(fā)來的命令，進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。由于RS485協(xié)議和RS232協(xié)議相比，具有通信速率更快、傳輸距離更遠(yuǎn)、多機(jī)連接能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］，所以本系統(tǒng)主機(jī)與從機(jī)之間的通信，采用RS485通信協(xié)議。

2.1串口通信電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)主機(jī)之間的串口通信電路用MAX232芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片，電路圖如圖2所示。目前在計(jì)算機(jī)與工業(yè)設(shè)備的通信中廣泛采用RS232作為串行接口。典型的RS232信號(hào)其發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出的正電平在+5～+15V之間，輸出的負(fù)電平在-5～-15V電平之間，接收端典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V；由于發(fā)送端的工作電平和接收端的工作電平僅相差約2V到3V，所以共模抑制能力較差，此外傳輸線上還存在分布電容，因此RS232信號(hào)的傳輸距離最大約15米，傳輸?shù)淖罡咚俾蕿?0kb/s［2］。RS232只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，因其傳輸距離較短，故只適合在本地設(shè)備之間進(jìn)行通信。

圖2　串口通信電路圖

2.2RS-485接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)單片機(jī)主機(jī)和從機(jī)通信采用RS485通信協(xié)議，接口電路采用MAX485芯片，電路圖如圖3所示。RS485接口抗干擾能力強(qiáng)，能連接多達(dá)256個(gè)收發(fā)器，最大傳輸距離可以達(dá)到1200米，因此是串行通信中接口電路的首選，RS485接口為半雙工通信，只需二根連線即可，所以采用屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［3］。

圖3　RS485接口電路

2.3串口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

串口擴(kuò)展電路在器件上選擇8251A和鎖存芯片74LS373以及為8251A提供時(shí)鐘的摩托羅拉生產(chǎn)的MC14060芯片。8251A可以接收來自單片機(jī)的并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出；也可以接收來自外部的串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)；同時(shí)8251A占用的外部地址單元只有2個(gè)，對(duì)其讀、寫訪問非常簡(jiǎn)單［4］。

圖4　串口擴(kuò)展電路

3　系統(tǒng)主從機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)單片機(jī)主機(jī)和從機(jī)程序流程圖分別如圖5和圖6所示，單片機(jī)主機(jī)在初始化后令TB8為1，選擇某個(gè)從機(jī)并發(fā)送從機(jī)地址幀，再等待該從機(jī)應(yīng)答，收到應(yīng)答信息后令TB8為0，再與該從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；單片機(jī)從機(jī)初始化時(shí)波特率要和主機(jī)一致設(shè)為9600kb/s，初始化后令SM2為0，等待主機(jī)發(fā)來地址幀，若接收到的地址幀與該從機(jī)對(duì)應(yīng)的地址幀一致，則令SM2為1，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)主機(jī)。

圖5　單片機(jī)主機(jī)程序流程圖

圖6　單片機(jī)從機(jī)程序流程圖

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源設(shè)計(jì)友好直觀的控制界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過RS232接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)主機(jī)與計(jì)算機(jī)上位機(jī)通信，通過RS485接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)主機(jī)與多個(gè)單片機(jī)從機(jī)連接，用來接收各種傳感器數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。通過上述設(shè)計(jì)方法，成功實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與單片機(jī)主機(jī)、單片機(jī)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的多機(jī)通信問題，滿足了設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制簡(jiǎn)單靈活，實(shí)現(xiàn)成本低，在類似應(yīng)用場(chǎng)合中具有較好的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 羅晴蘭，殷正國(guó).MAX1480集成鉗位傳輸架構(gòu)高性能工控RS-485網(wǎng)絡(luò)［J］.西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（2）：85-88.

［2］ 郭艷.一種全工收發(fā)器芯片的設(shè)計(jì)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［3］ 趙文昌.基于RS-485總線的深度指示器研制［J］.煤炭工程，2009，（12）：108- 110.

［4］ 賈轉(zhuǎn)紅，朱清林，敖發(fā)良.PC機(jī)與多臺(tái)單片機(jī)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，（2）：143-145.

Realization of multi-communication system between PC and MCUs

This paper make a brief introduction on the multi-communication between PC and MCUs， which is widely used in industrial control. The paper puts forward an overall solution for multiple computer communication system， and realized the communication between PC and master MCU， between master MCU and slave MCUs as well.

Multi-communication； RS485； remote monitoring； MCU

TP393

A

1008-1151（2016）02-0001-02

2016-01-13

廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KY2015LX442）；梧州學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（2015C021）。

姚高華（1981－），男，湖北仙桃人，梧州學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)橹悄芸刂?；廖秋香?981－），女，四川樂山人，梧州學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)閳D像處理；李?。?981－），女，湖北黃岡人，梧州學(xué)院講師，研究方向?yàn)閳D像處理。