基于RS485總線的單片機對等網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)

1　引　言

隨著自動控制技術的應用和發(fā)展，控制系統(tǒng)越來越復雜。單片機的應用系統(tǒng)已從單機逐漸向多機聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展，如：數(shù)據(jù)采集、消防、門禁、消費等控制系統(tǒng)，這就需要單片機之間或單片機與微機之間組成網(wǎng)絡以進行相互通信。現(xiàn)有的各種總線產(chǎn)品，如基金總線（FF）、LonWorks總線、ProfiBus總線、 HART總線及CAN總線等，雖然各有特色，但由于其兼容性差、造價高、維護不便等方面的原因，未能得到普遍應用。

RS485總線作為一種簡易、廉價的通信技術，其收發(fā)器采用平衡驅(qū)動和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。RS485接收器靈敏度可達±200 mV，因而大大提高了通信距離。在100 kb／s速率下電纜長度可達1 200 m，如果通信距離縮短，最大速率更可達10 Mb／s。RS485總線上允許帶多個驅(qū)動器和接收器，最新的收發(fā)器可帶128個節(jié)點，用于構建多點通信網(wǎng)絡。由于RS485總線具有設備簡單、價格低廉、能進行長距離通信的特點，故在工程中得到了廣泛應用。

通常在RS485總線產(chǎn)品的應用中，都采用主從控制方式，即由1臺微機或1臺單片機作為主機，其余的作為從機。主機和從機之間可以直接進行通信，從機之間要進行通信時必須通過主機。通信方式則由主機采取輪詢的方式對各從機進行查詢。這種方式使軟件的設計大為簡化，但也帶來很多弊端。

（1）由于采取主機輪詢方式進行通信，因此，通信的吞吐量較低，不適用于通信量要求較大，或平均通信量較低，但呈突發(fā)式的場合，如：消費系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等。

（2）由于采取主機輪詢方式進行通信，因此，系統(tǒng)較大時，實時性較差。

（3）由于采取主機輪詢方式進行通信，主機在不停地查詢各從機，每個從機都必須對主機的查詢作出響應，以決定是否對該機進行通信，這樣，勢必增加各從機的系統(tǒng)開銷。

（4）當從機之間需要進行通信時，必須通過主機，增加了從機間通信的難度。

針對主從式網(wǎng)絡的這些缺點，本文提出一種采用RS485總線的單片機對等網(wǎng)絡的設計方法。在這種網(wǎng)絡中，各節(jié)點（單片機）之間沒有主從之分，是完全吞吐量大而且靈活。最后給出了該網(wǎng)絡的C51語言實現(xiàn)方法。

2　網(wǎng)絡原理

在主從式網(wǎng)絡中，信道由主機進行控制，不存在競爭信道的問題。在對等式網(wǎng)絡中則不同，由于每個節(jié)點均可根據(jù)自己的需要隨時發(fā)送信息，必然會競爭使用信道，因此，如何合理分配信道的使用權就成為對等式網(wǎng)絡的關鍵問題。與計算機網(wǎng)絡［1］類似，解決信道分配問題可采用靜態(tài)分配方案和動態(tài)分配方案。在靜態(tài)分配方案中，時分多路復用TDMA（TimeDivision Multiple Access）是常用的方法，在TDMA中，時間被均分為N段時隙，每個節(jié)點靜態(tài)的占用一個。如果每個節(jié)點都能充分利用自己的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，該方案是十分靈活而高效的。

然而，實際中有些節(jié)點數(shù)據(jù)很多，時隙不夠用，而有些節(jié)點數(shù)據(jù)卻很少，不能充分利用分配給他的時隙而使這段時間被閑置。因此，信道靜態(tài)分配方案不能有效地處理通信的突發(fā)性。在動態(tài)分配方案中，帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA／CD（carrier sensemultiple access with collision detection）協(xié)議是常用的方法。

該協(xié)議中，當一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，他首先偵聽信道，看是否有其他節(jié)點正在發(fā)送。若沒有其他節(jié)點在發(fā)送，他就開始發(fā)送，否則，等待一個隨機的時間后，重復上述過程。當2個節(jié)點偵聽到信道空閑并同時開始傳送時，必然會產(chǎn)生沖突，此時，他們幾乎將同時檢測到?jīng)_突，一旦檢測到?jīng)_突，不是繼續(xù)傳完他們的幀，而是盡快停止，這樣既節(jié)省了時間又節(jié)省了頻帶。在等待一個隨機的時間后，重新開始上述的發(fā)送過程。

CSMA／CD能有效地解決通信的突發(fā)性。在負載較低時，欲發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點能立即發(fā)送，負載較重時，也可保證通信的穩(wěn)定，本文中將采用該協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。

3　硬件電路設計

實現(xiàn)CSMA／CD協(xié)議的關鍵是載波偵聽和沖突檢測。這就要求每個節(jié)點能夠接收所有節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)，包括他自己。

在RS485總線組成的網(wǎng)絡中，由于單片機串口為TTL電平，需要通過485專用收發(fā)芯片，完成電平轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)收發(fā)。這里選用較常用的 SN75176。該芯片內(nèi)將3態(tài)差分線驅(qū)動器和差分輸入線接收器結(jié)合在一起。驅(qū)動器和接收器分別具有高電平有效和低電平有效使能端，如圖1所示。在主從式網(wǎng)絡中，一般將驅(qū)動器和接收器的使能端連接在一起以便起方向控制的作用，使收發(fā)器工作于半雙工狀態(tài)。在這里收發(fā)器必須工作于全雙工狀態(tài)，以便節(jié)點能接收到自己發(fā)出的信息。因此，將接收器的使能端接低電平，而驅(qū)動器的使能端則由單片機的IO口控制，平時為低電平，釋放總線，要發(fā)送數(shù)據(jù)時則轉(zhuǎn)換為高電平。這樣構成的單片機對等網(wǎng)絡如圖2所示。

4　軟件實現(xiàn)

本文采用Franklin C51來實現(xiàn)CSMA／CD網(wǎng)絡協(xié)議。用C語言來編寫單片機目標系統(tǒng)軟件可縮短開發(fā)周期，增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大，性能更完備的系統(tǒng)［2］。

系統(tǒng)中設置定時器0作為延時計時器，他有兩組延時參數(shù)。一組用于偵聽網(wǎng)絡是否空閑。每次接收中斷時，給定時器0重裝延時參數(shù)，并設置網(wǎng)絡忙標志。該參數(shù)的值應保證在正常的數(shù)據(jù)發(fā)送時，定時器不會溢出。這樣，若有節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，定時器0將被反復重裝，并設置網(wǎng)絡忙標志。若所有節(jié)點停止發(fā)送數(shù)據(jù)，定時器將溢出，此時，停止計時并清除網(wǎng)絡忙標志，表示網(wǎng)絡空閑。發(fā)送程序檢測到該標志，即可開始發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送程序每發(fā)送1 B數(shù)據(jù)時，將該數(shù)據(jù)存入一個臨時變量中。此時，接收程序同時也會接收到一個數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)與臨時變量中的數(shù)據(jù)進行比較，若相等，表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功，否則，表示發(fā)生沖突，此時立即停止發(fā)送，并給定時器0設置一個隨機延時值，延時結(jié)束后重復上述過程。實現(xiàn)以上算法的C51程序如下［3］：

5　結(jié)　語

本文設計了一個基于RS485總線的單片機對等網(wǎng)絡，并用C51語言實現(xiàn)了該網(wǎng)絡。與常用的主從式的單片機網(wǎng)絡相比，對等網(wǎng)絡具有數(shù)據(jù)吞吐量大、節(jié)點與節(jié)點間可直接通信的特點，因此，特別適合通信量大、通信呈突發(fā)式或節(jié)點間通信頻繁的場合。該網(wǎng)絡已在門禁系統(tǒng)中實際應用。實踐表明，該方法是十分有效而靈活的。

參考文獻
［1］AndrewS．Tanenbaum計算機網(wǎng)絡［M］．第3版．北京：清華大學出版社，1998．
［2］馬忠梅．單片機的C語言應用程序設計［M］．修訂版．北京：北京航空航天出版社，1999．
［3］KeilC51使用技巧及實踐［DB］．