單片機(jī)多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)及數(shù)據(jù)通信容錯(cuò)技術(shù)

在目前單片機(jī)組成的嵌入式控制系統(tǒng)中,所謂的多機(jī)通信是指上位機(jī)與下位機(jī)之間的主從模式的通信,一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為主機(jī), n 個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)為從機(jī),從機(jī)之間不能進(jìn)行通信. 目前單片機(jī)通信存在通信網(wǎng)絡(luò)模式簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)的通信速率低,沒(méi)有容錯(cuò)技術(shù)等缺點(diǎn).
MCS-51 單片機(jī)串行接口SBUF ,由SCON 控制為用于多機(jī)通信的工作方式2 ,3. 當(dāng)SM2 = 1 ,出現(xiàn)兩種情況:接收到第9 位數(shù)據(jù)為1 時(shí),數(shù)據(jù)才裝入SBUF ,并置RI = 1 ,向CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求;如果接收到第9 位數(shù)據(jù)為0 時(shí),則不發(fā)生中斷,信息被丟失. 若SM2 = 0 ,則接收到的第9 位數(shù)據(jù)無(wú)論是0 還是1 ,都產(chǎn)生RI = 1 中斷標(biāo)志,接收到的數(shù)據(jù)裝入SBUF 中. 多機(jī)通信過(guò)程安排如下:
1) 使所有的從機(jī)SM2 = 1 ,處于接收地址狀態(tài);
2) 主機(jī)發(fā)一幀地址信息,從機(jī)接收到地址幀后,將與本從機(jī)的地址進(jìn)行比較. 是本機(jī),使SM2 = 0 ,地址不符合的從機(jī),保持SM2 = 1 ,退出本次通信;
3) 主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令,以第九位為0 表示. 主從模式的多機(jī)通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主機(jī)的RXD 與所有從機(jī)的TXD 端相連,而主機(jī)的TXD 與所有的從機(jī)的RXD 端連接,如圖1 所示.

圖1 　主從多機(jī)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
主從模式的多機(jī)通信在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,主機(jī)只有一個(gè)且固定不變,從機(jī)是多個(gè),它們之間不能通信.在新的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中,沒(méi)有真正的主機(jī)和從機(jī)之分,所有的結(jié)點(diǎn)都是平權(quán)的. 總線也是兩條,一根作為主機(jī)發(fā)送信息,從機(jī)接收;另一根是從機(jī)發(fā)送信息,主機(jī)接收. 每一個(gè)結(jié)點(diǎn)的機(jī)器既是從機(jī),又是潛在的主機(jī). 非主動(dòng)通信狀態(tài)時(shí),為從機(jī)狀態(tài). 需要通信時(shí),改變連線的接法,并使自己變?yōu)橹鳈C(jī)狀態(tài). 主機(jī)狀態(tài):它的TXD 端與所有從機(jī)的RXD 連接,它的RXD 與所有從機(jī)的TXD 連接,以便發(fā)送從機(jī)地址,與從機(jī)建立通信聯(lián)系,完成交流信息的目的. 本次通信完畢后,自動(dòng)降為從機(jī)狀態(tài),并且線路的連接方式也變成從機(jī)連接. 從機(jī)狀態(tài):它的TXD 與所有從機(jī)的TXD 連載一條總線上,連接到主機(jī)的RXD 端,它的RXD 連接到主機(jī)的TXD.其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示.

圖2 　多機(jī)串行通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
說(shuō)明:1) 任一個(gè)結(jié)點(diǎn)機(jī)器,不主動(dòng)通信時(shí),處于從機(jī)狀態(tài),要求通信時(shí),躍遷為主機(jī)狀態(tài). 行使主機(jī)通信形式和權(quán)利;
2) 結(jié)點(diǎn)機(jī)器的TXD ,RXD 與總線的連接有兩種方式:主機(jī)連接、從機(jī)連接. 由機(jī)器的狀態(tài)來(lái)決定,也就是說(shuō),連接方式與機(jī)器的狀態(tài)相適應(yīng),受機(jī)器狀態(tài)的控制.
邏輯電路接口式連接:用三態(tài)門74HC126. 非門用74HC04 實(shí)現(xiàn)連接轉(zhuǎn)換功能. 用P1. 0 控制三態(tài)門,當(dāng)P1. 0 = 0 時(shí),其TXD 接主機(jī)的RXD ,它的RXD 接主機(jī)的TXD ,結(jié)點(diǎn)成為從機(jī)狀態(tài);當(dāng)P1. 0 = 1 時(shí),其TXD 連接所有從機(jī)的RXD ,它的RXD 連接所有從機(jī)TXD ,該結(jié)點(diǎn)成為主機(jī)狀態(tài). 連接變換電路圖如圖3 所示.

圖3 　由三態(tài)門構(gòu)成多機(jī)串行通信智能連接電路
多機(jī)通信協(xié)議: 1) 在初始化或復(fù)位時(shí),每個(gè)結(jié)點(diǎn)都使P1. 0 = 0 ,SM2 = 1 ,處于只接收地址幀(串行幀的第9 位為1) ,對(duì)數(shù)據(jù)幀(串行口的第9 位為0) 則不做響應(yīng)的從機(jī)狀態(tài).
2) 需要通信的結(jié)點(diǎn)機(jī)器,檢測(cè)到總線空時(shí),置SM2 = 0 ,P1. 0 = 1 ,躍遷為主機(jī)狀態(tài),發(fā)送一個(gè)地址幀,其中含8 位地址數(shù)據(jù),第9 位為標(biāo)志位.
3) 當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的地址幀后,將所接收的地址與本機(jī)地址相比較,若地址與本機(jī)地址相符,便使SM2 = 0 ,以便接收主機(jī)后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)P命令,對(duì)于地址不相符合的從機(jī),仍保持SM2 = 1 狀態(tài),故不能接收主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息.
4) 主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或控制指令,其數(shù)據(jù)幀第9 位置0 ,表示發(fā)送的是數(shù)據(jù).
5) 當(dāng)主機(jī)改為與另外從機(jī)聯(lián)系時(shí),可再發(fā)出地址幀來(lái)尋找其它從機(jī). 而先前被尋址過(guò)的從機(jī)在分析出主機(jī)是對(duì)其它從機(jī)尋址時(shí),恢復(fù)其SM2 = 1 ,等待主機(jī)的再一次尋址. 主機(jī)也可以通過(guò)發(fā)送一個(gè)復(fù)位指令,使所有從機(jī)處于等待尋址狀態(tài).
6) 通信結(jié)束后,置P1. 0 為0 ,SM2 位為1 ,退回到從機(jī)狀態(tài).

2 　RS485 總線改善信道
RS485 串行接口和傳統(tǒng)的RS232 串行接口相比有以下特點(diǎn):RS485 的電氣特性:邏輯“1”以兩線間的電壓差為+ 2～ + 6 V 表示,邏輯“0”以兩線間的電壓差為- 2～ - 6 V 表示. 接口信號(hào)電平比RS232C 低. 不易損壞接口電路的芯片,且該電平信號(hào)與TTL電平兼容,可方便的TTL 電路連接. RS485 的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps. RS485 接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器、差分接收器的組合,抗共模干擾能力強(qiáng),即抗噪聲干擾性好.RS485 接口的最大傳輸距離為1219.5 m(標(biāo)準(zhǔn)值) ,實(shí)際上可達(dá)3000 m. RS485 接口在總線上允許連接多達(dá)128 個(gè)接收器,即具有多站能力,這樣用戶利用單一的RS485 接口方便的建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò). 因RS485 接口具有上述優(yōu)點(diǎn),使其得到廣泛的應(yīng)用.