详细分析单片机多机系统的通信原理-文章-技术应用-工业控制

1引言

在测控系统和工程应用中，常遇到多项任务需同时执行的情况，因而开关电源模块主从式多机分布式系统成为现代工业广泛应用的模式。它们大多由IBM-PC微机和MCS-51单片机组成。单片机功能强、体积小、价格低廉、开发应用方便，尤其具有全双工串行通讯的特点，在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、家用电器方面都有广泛的应用。同时，IBM-PC机正好补充MTD2002单片机人机对话和外围设备薄弱的缺陷。各单片机独立完成数据采集处理和控制任务，同时通过开关电源模块通信接口将数据传给PC机，PC机将这些数据进行处理、显示或打印，把各种控制命令传给单片机，以实现MTD2002集中管理和最优控制。

故IBM-PC机(上位机)与各MCS-51单片机(下位机)之间的通信显得尤其重要。本文主要探讨它们之间的远距离串行通信接口和软件程序设计。

2硬件设计接口

RS-232-C串行通信接口是美国电气工业协会(EIA)与BELL公司等一起开发的一种MTD2002标准通信协议，现在它在开关电源模块终端、外设与计算机中被广泛采用。该标准规定了21个信号和25个引脚，但在智能仪器与计算机之间的通信中常用2个信号及3个引脚(2脚数据输入，3脚数据输出，7脚信号地)。它采用双极性的负逻辑信号，0逻辑信号为+3V至12V，1逻辑信号为-3V至-12V，它的传输速率最大为20kbit/s，传输距离仅为15m。由于RS-232主要是完成电平移位、转换和信号反相等，所以它有自己的电平转换与驱动芯片，如MC1488(发送)与MC1489(接受)。IBM-PC机有两个标准的RS-232串行口，其电平采用的是EIA电平，而MCS-51单片机的串行通信是由TXD(发送数据)和RXD(接收数据)来进行全双工通信的，它们的电平是TTL电平，为了PC机与MCS-51机之间能可靠地进行串行通信，需要用电平转换芯片。由于MC1488和MC1489需要±12V、+5V电源供电，故采用MAXIM公司生产的低功耗、单电源的MAX232芯片，因为它自身带有电源电压变换器，可以把+5V电源变换成RS-232输出电平所需的±10V电压，能实现RS-232的技术指标，并只需要+5V的电源，为串行通信带来了较好的性能和低廉的价格。MAX232的接口电路图如图2所示。

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PC机采用可编程串行异步通信控制器8251A来实现，通过对开关电源模块INS8251A初始化可以控制MTD2002串行数据传送格式和速度及其工作方式，使得它与单片机的通信方式一致，从而实现PC机与单片机之间的通信。MCS-51和8251A的连接图见图3。

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由于远距离数据传输，在系统中用了两片开关电源模块MAX485芯片进行数据传送，还采用了MTD2002两级光电隔离来提高系统的抗干扰能力。单片机和PC机之间的RS-232通信硬件接口电路框图如图4所示。

3串行通信的软件程序设计

3.1主从式多机通信原理

MCS-51用于多机通信时必须工作在方式2或方式3。以方式3为例，每发送一帧数据为11位：1位起始位(0)，8位数据位和1位停止位(1)，附加的第9位数据在非多机系统中为奇偶校验位，在发送端有SCON的TB8产生，在接收端传送到开关电源模块SCON的RB8。它还可设定为“0”或“1”作为在MTD2002多机通信中区分数据帧(0标志)还是地址帧(1标志)的标志。在MCS-51多机系统中有以下协议：所有的各从机均处于听命状态，即SM2=1，以便接收主机发来的地址，当接收到一帧信息的RB8为“1”时，表示主机发送来的是地址信息，所有的从机均发生接收中断，否则中断屏蔽。当一从机进入相应的中断服务程序，把接收到的地址和本机的地址比较，如果相符合就令其SM2=0，并向主机发回本机地址以作应答，该从机就与主机联通，准备接收主机发来的命令或数据信息，而其他的未被寻址从机保持SM2=1并退出各自的中断服务程序。这样，只有SM2=0的从机才能接收到主机发送来的数据信息，顺利实现地址帧和数据帧的分离。被寻址从机在通信完成后重新使SM2=1，并退出中断服务程序，等待下次通信。

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3.2多机通信协议

要实现单片机和PC机的正常通信，必须正确设定它们两者之间的通信方式，保证双方都用相同的波特率、起始位、停止位、奇偶校验位，并且要建立双方通信的应答信号。

单片机既可工作在同步移位寄存器方式下也可工作在UART(通用异步收发器)下。串行口的通信方式是由特殊功能寄存器SCON来控制的。其各控制定义如下：

SM0，SM1：工作模式设定位;SM2：允许使用方法2、3多机通信控制位;RB8：接收数据第9位;TB8：发送数据第9位;TI：发送中断标志;RI：接收中断标志。本文中工作方式为3，即9位UART定时器T1作为波特率发生器，工作在方式2，若选定开关电源模块波特率为1200bps，则计数初值为0E8H(SMOD=0，时钟频率Fosc为11.059MHz)。

PC机的异步通信接口为INTEL8251A，它可设定1位、1.5位或2位停止位，数据可在5～8位之间选择，通信频率为0～9.6Kbps，有奇偶校验、帧校验、溢出校验三种方式。可通过对它写入一定的方式控制字、命令控制字从而进行初始化。它与MCS-51的连接如前面所示，则它的MTD2002数据口地址为0F0H，控制口地址为0F1H。它的工作状态寄存于其状态字寄存器中，可由MCS-51的CPU读取。通信协议如下：(1)串行通信波特率为1200bps;(2)帧格式为8位数据位，一位起始位，一位可编程的第9位(即发送和接收的地址/数据位的标志位)，一位停止位;(3)主机和从机遵循主从原则，主机用呼叫方式选择从机，数据在主机和从机之间双向传递，各从机之间的相互通信需通过主机作为中介;(4)主从机之间还应传送一些供它们识别的命令和状态字，如以00H表示主机发送从机接收命令，以01H表示从机发送主机接收命令等。

3.3通信程序设计思路及其实现

程序主要包括主机程序(由主机主程序和通信子程序组成)、从机主程序和其中断服务程序组成。开关电源模块主机程序主要完成对8251A的初始化以及主机与从机之间的通信，主机程序框图见图5。而MTD2002从机主程序主要完成对串行口的初始化、波特率的设置(应与8251A的波特率一致)，它的中断程序主要用来完成MCS-51单片机与PC机的数据通信。从机中断服务程序框图见图6。

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