基于RS485總線的單片機(jī)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　引　言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)已從單機(jī)逐漸向多機(jī)聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展，如：數(shù)據(jù)采集、消防、門禁、消費(fèi)等控制系統(tǒng)，這就需要單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間組成網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行相互通信?，F(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(jià)高、維護(hù)不便等方面的原因，未能得到普遍應(yīng)用。

RS485總線作為一種簡(jiǎn)易、廉價(jià)的通信技術(shù)，其收發(fā)器采用平衡驅(qū)動(dòng)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(dá)±200 mV，因而大大提高了通信距離。在100 kb／s速率下電纜長(zhǎng)度可達(dá)1 200 m，如果通信距離縮短，最大速率更可達(dá)10 Mb／s。RS485總線上允許帶多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，最新的收發(fā)器可帶128個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于構(gòu)建多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。由于RS485總線具有設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能進(jìn)行長(zhǎng)距離通信的特點(diǎn)，故在工程中得到了廣泛應(yīng)用。

通常在RS485總線產(chǎn)品的應(yīng)用中，都采用主從控制方式，即由1臺(tái)微機(jī)或1臺(tái)單片機(jī)作為主機(jī)，其余的作為從機(jī)。主機(jī)和從機(jī)之間可以直接進(jìn)行通信，從機(jī)之間要進(jìn)行通信時(shí)必須通過(guò)主機(jī)。通信方式則由主機(jī)采取輪詢的方式對(duì)各從機(jī)進(jìn)行查詢。這種方式使軟件的設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，但也帶來(lái)很多弊端。

（1）由于采取主機(jī)輪詢方式進(jìn)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(chǎng)合，如：消費(fèi)系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等。

（2）由于采取主機(jī)輪詢方式進(jìn)行通信，因此，系統(tǒng)較大時(shí)，實(shí)時(shí)性較差。

（3）由于采取主機(jī)輪詢方式進(jìn)行通信，主機(jī)在不停地查詢各從機(jī)，每個(gè)從機(jī)都必須對(duì)主機(jī)的查詢作出響應(yīng)，以決定是否對(duì)該機(jī)進(jìn)行通信，這樣，勢(shì)必增加各從機(jī)的系統(tǒng)開銷。

（4）當(dāng)從機(jī)之間需要進(jìn)行通信時(shí)，必須通過(guò)主機(jī)，增加了從機(jī)間通信的難度。

針對(duì)主從式網(wǎng)絡(luò)的這些缺點(diǎn)，本文提出一種采用RS485總線的單片機(jī)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。在這種網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)（單片機(jī)）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(luò)的C51語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)方法。

2　網(wǎng)絡(luò)原理

在主從式網(wǎng)絡(luò)中，信道由主機(jī)進(jìn)行控制，不存在競(jìng)爭(zhēng)信道的問(wèn)題。在對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)中則不同，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可根據(jù)自己的需要隨時(shí)發(fā)送信息，必然會(huì)競(jìng)爭(zhēng)使用信道，因此，如何合理分配信道的使用權(quán)就成為對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題。與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［1］類似，解決信道分配問(wèn)題可采用靜態(tài)分配方案和動(dòng)態(tài)分配方案。在靜態(tài)分配方案中，時(shí)分多路復(fù)用TDMA（TimeDivision Multiple Access）是常用的方法，在TDMA中，時(shí)間被均分為N段時(shí)隙，每個(gè)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)的占用一個(gè)。如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能充分利用自己的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，該方案是十分靈活而高效的。

然而，實(shí)際中有些節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)很多，時(shí)隙不夠用，而有些節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)卻很少，不能充分利用分配給他的時(shí)隙而使這段時(shí)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(dòng)態(tài)分配方案中，帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(wèn)CSMA／CD（carrier sensemultiple access with collision detection）協(xié)議是常用的方法。

該協(xié)議中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，他首先偵聽信道，看是否有其他節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送。若沒有其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送，他就開始發(fā)送，否則，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后，重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽到信道空閑并同時(shí)開始傳送時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生沖突，此時(shí)，他們幾乎將同時(shí)檢測(cè)到?jīng)_突，一旦檢測(cè)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(shí)間又節(jié)省了頻帶。在等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后，重新開始上述的發(fā)送過(guò)程。

CSMA／CD能有效地解決通信的突發(fā)性。在負(fù)載較低時(shí)，欲發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)能立即發(fā)送，負(fù)載較重時(shí)，也可保證通信的穩(wěn)定，本文中將采用該協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

3　硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)CSMA／CD協(xié)議的關(guān)鍵是載波偵聽和沖突檢測(cè)。這就要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠接收所有節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，包括他自己。

在RS485總線組成的網(wǎng)絡(luò)中，由于單片機(jī)串口為TTL電平，需要通過(guò)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(dòng)器和差分輸入線接收器結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)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(luò)中，一般將驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(dòng)器的使能端則由單片機(jī)的IO口控制，平時(shí)為低電平，釋放總線，要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)則轉(zhuǎn)換為高電平。這樣構(gòu)成的單片機(jī)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

4　軟件實(shí)現(xiàn)

本文采用Franklin C51來(lái)實(shí)現(xiàn)CSMA／CD網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。用C語(yǔ)言來(lái)編寫單片機(jī)目標(biāo)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(jìn)和擴(kuò)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(shè)置定時(shí)器0作為延時(shí)計(jì)時(shí)器，他有兩組延時(shí)參數(shù)。一組用于偵聽網(wǎng)絡(luò)是否空閑。每次接收中斷時(shí)，給定時(shí)器0重裝延時(shí)參數(shù)，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)忙標(biāo)志。該參數(shù)的值應(yīng)保證在正常的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，定時(shí)器不會(huì)溢出。這樣，若有節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，定時(shí)器0將被反復(fù)重裝，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)忙標(biāo)志。若所有節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，定時(shí)器將溢出，此時(shí)，停止計(jì)時(shí)并清除網(wǎng)絡(luò)忙標(biāo)志，表示網(wǎng)絡(luò)空閑。發(fā)送程序檢測(cè)到該標(biāo)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(shí)，將該數(shù)據(jù)存入一個(gè)臨時(shí)變量中。此時(shí)，接收程序同時(shí)也會(huì)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)與臨時(shí)變量中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)立即停止發(fā)送，并給定時(shí)器0設(shè)置一個(gè)隨機(jī)延時(shí)值，延時(shí)結(jié)束后重復(fù)上述過(guò)程。實(shí)現(xiàn)以上算法的C51程序如下［3］：

5　結(jié)　語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于RS485總線的單片機(jī)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，并用C51語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該網(wǎng)絡(luò)。與常用的主從式的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)吞吐量大、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間可直接通信的特點(diǎn)，因此，特別適合通信量大、通信呈突發(fā)式或節(jié)點(diǎn)間通信頻繁的場(chǎng)合。該網(wǎng)絡(luò)已在門禁系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐表明，該方法是十分有效而靈活的。

參考文獻(xiàn)
［1］AndrewS．Tanenbaum計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］．第3版．北京：清華大學(xué)出版社，1998．
［2］馬忠梅．單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］．修訂版．北京：北京航空航天出版社，1999．
［3］KeilC51使用技巧及實(shí)踐［DB］．