多單片機(jī)共用RS232通信的防競爭電路與程序設(shè)計

在單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用中，我們常常采用主從式控制結(jié)構(gòu)，一臺PC機(jī)作為上位機(jī)控制多個單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工作，功能強(qiáng)大、資源豐富的PC機(jī)可以用來方便地進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計和數(shù)據(jù)庫管理與輸出，而單片機(jī)進(jìn)行靈活的控制和測量。在某些應(yīng)用場合，這些單片機(jī)系統(tǒng)緊靠在一起安裝，因?yàn)閱纹瑱C(jī)相互間的距離較近，通信接線很短，這時，PC機(jī)與單片機(jī)1對多的多機(jī)通信，就可以不采用需要特別轉(zhuǎn)接設(shè)備的RS 485通信，或者復(fù)雜的CAN通信，而設(shè)計防止競爭控制電路和采用應(yīng)答式通信程序，讓多單片機(jī)直接共用一個RS 232接口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠的異步串行通信。

1 多單片機(jī)通信結(jié)構(gòu)
多單片機(jī)共用RS 232接口與PC機(jī)通信的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由串行通信接口、防競爭電路以及下位機(jī)三部分組成。

多個單片機(jī)系統(tǒng)共享RS 232總線的關(guān)鍵是如何避免競爭。對于接收端，經(jīng)RS 232電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，可以直接并接到全部單片機(jī)串口的Rxd端，PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送信息相當(dāng)于向所有單片機(jī)進(jìn)行廣播，不存在競爭。但是不能直接將單片機(jī)的發(fā)送端并聯(lián)到串口轉(zhuǎn)換芯片MAX232的TnIN端，否則系統(tǒng)將極不可靠，無論何種原因，倘若有2個及以上的單片機(jī)系統(tǒng)同時向PC機(jī)發(fā)送信息，則將發(fā)生總線競爭，RS 232總線信號將發(fā)生混亂。因此圖中的防競爭控制電路，是專為防止總線競爭而設(shè)計，以保證在任何時刻只有一個單片機(jī)系統(tǒng)占用RS 232的發(fā)送端口。

2 防止競爭的控制電路
防止競爭控制電路如圖2所示，TxdA，TxdB，TxdC分別是單片機(jī)A、單片機(jī)B、單片機(jī)C的Txd端，接到帶3態(tài)驅(qū)動器74HC125的3個輸入端上，74HC125的3個輸出端并接到RS 232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232的T2IN端。A，B，C分別是3個單片機(jī)的串口輸出控制端(低電平有效，假設(shè)均接P10端口)，由74HC00四二與非門和74HC32四二或門電路構(gòu)成。

控制電路輸出到74HC125的3個控制端信號分別定義為OEA，OEB，OEC，對應(yīng)于3個單片機(jī)串口控制信號A，B，C，邏輯關(guān)系為：

控制電路的真值表如表1所示。

由真值表可見：防止競爭控制電路保證在A有效時，僅允許TxdA通過74HC125而其他2路信號被禁止通過。同樣，當(dāng)B有效時，僅允許TxdB信號通過，C有效時，僅允許TxdC信號通過，其他2路信號被禁止。確保任意時刻只有一個單片機(jī)的串口占用RS 232發(fā)送通道，而其他單片機(jī)不能占用RS 232發(fā)送通道，有效地防止了競爭的發(fā)生。

3 防止競爭的通信程序
3．1 多機(jī)通信協(xié)議．
多機(jī)通信協(xié)議是為了使單片機(jī)分時占用RS 232發(fā)送通道，在防競爭控制電路的配合下，使得任一時刻PC機(jī)僅與1個單片機(jī)進(jìn)行通信，保證通信的順利進(jìn)行。通信采用握手通信方式，通信協(xié)議如下：

每一幀信息為8個字節(jié)。其中，第一字節(jié)為特征字(這里為字符“L”)，第二字節(jié)為地址碼，第三字節(jié)為命令碼，第四～七字節(jié)為數(shù)據(jù)字節(jié)，第八字節(jié)為校驗(yàn)和(從地址碼開始計算字節(jié)的異或和)。
如PC機(jī)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出呼叫：“L”、“A”、01H、00H、00H、00H、00H、40H，其中的“A”(41H)表示呼叫單片機(jī)A，01H是命令，4個00H是命令的參數(shù)，40H為校驗(yàn)和。
單片機(jī)接收到特征碼“L”后，開始接收后續(xù)的7字節(jié)信息，并對這7個字節(jié)計算校驗(yàn)和，完整的一幀呼叫碼校驗(yàn)無誤后，核對地址碼。單片機(jī)A核對地址碼為“A”，確認(rèn)是對本機(jī)呼叫，立即響應(yīng)，拉低P10(信號A)，本機(jī)即可獨(dú)占RS 232總線發(fā)送通道，按照通信協(xié)議與PC機(jī)進(jìn)行串行通信，通信完畢恢復(fù)P10(信號A)使RS 232總線發(fā)送通道恢復(fù)空閑狀態(tài)。而單片機(jī)B、單片機(jī)C校對地址碼不是本機(jī)地址后則退出，保持接收狀態(tài)。

3．2 上位機(jī)通信程序
上位機(jī)與下位機(jī)采用應(yīng)答式通信方式，上位機(jī)向某一下位機(jī)發(fā)送呼叫碼后啟動定時查詢串口定時器，等待下位機(jī)執(zhí)行命令并按命令要求返回信息，若定時時間到后能查詢到該單片機(jī)返回的信息，則取出信息進(jìn)行處理，否則認(rèn)為該單片機(jī)出錯。上位機(jī)通信流程如圖3所示。

圖4為上位機(jī)與3個單片機(jī)通信的時序圖。

3．3 下位機(jī)通信程序
下位機(jī)接收到命令后，執(zhí)行命令與返回信息的時間必須小于上位機(jī)的等待查詢時間，否則將被當(dāng)作出錯處理。下位機(jī)通信流程如圖5所示。

4 結(jié)語
采用防止競爭控制電路和應(yīng)答式編程，使得多單片機(jī)共用RS 232接口時，每個單片機(jī)分時占用RS 232總線發(fā)送通道，有效地避免了串行總線的競爭。控制電路采用普通的74HC系列芯片構(gòu)成，電路簡單、實(shí)現(xiàn)容易、通信可靠。筆者在研制“信號微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)板卡故障定位儀”項(xiàng)目中采用了這一電路，3個下位機(jī)(51系列單片機(jī))控制板安裝在同一個機(jī)箱中，嵌入式平板電腦作為上位機(jī)與3個下位機(jī)進(jìn)行串行通信，實(shí)踐證明該電路可以穩(wěn)定可靠的工作。文中僅討論了3個單片機(jī)的情形，若單片機(jī)多于3個，可以對控制電路進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，以滿足需要。