PC機與單片機多機主從互通的實現(xiàn)

時間：2014-05-03 19:16:09

關(guān)鍵字： PC機與單片機指令控制方式總線控制

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[導(dǎo)讀]0引言 PC機與單片機組成的主從系統(tǒng)很常見，在很多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，PC機與單片機之間一般采用串行通信方式，按照一定的格式，進行數(shù)據(jù)、指令的交換，完

0引言

PC機與單片機組成的主從系統(tǒng)很常見，在很多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，PC機與單片機之間一般采用串行通信方式，按照一定的格式，進行數(shù)據(jù)、指令的交換，完成PC機對單片機的控制、數(shù)據(jù)前送，或者單片機上數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息的回送。

當(dāng)單片機數(shù)量較多時，比較容易實現(xiàn)PC機對所有單片機的控制。一般在這種情況下，采用廣播的方式。

所有單片機都掛在一條串行數(shù)據(jù)總線上，只需對單片機進行地址編碼，PC機將地址數(shù)據(jù)和控制報文進行廣播，單片機接收廣播數(shù)據(jù)后進行地址比對，篩選出所需的數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送。

如果PC機要對單片機多機進行廣播，并回傳所有單片機的信息，即單片機還要發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機，再加上單片機數(shù)量較多（大于100個單片機），則要實現(xiàn)PC機與單片機多機的互相通信，難度是比較大的。

本文提出了一種切實可行的方法，通過實際電路搭建和調(diào)試，實現(xiàn)了PC機與單片機多機的互相通信，達到了預(yù)定的目標，使該系統(tǒng)具有如下功能：

（1）PC機可以對所有100多個單片機進行控制，根據(jù)需要，發(fā)送不同控制字到達每個單片機；

（2）PC機對單片機的狀態(tài)修改是隨機的、沒有規(guī)律的；

（3）所有單片機將自身的一些狀態(tài)信息按照順序回傳至PC機。

1互通信的幾種實現(xiàn)方法

PC機至多個單片機的廣播比較簡單，難度較大的是多個單片機發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機。由于100多個單片機均掛在一個數(shù)據(jù)總線上，系統(tǒng)設(shè)計的難點就在于數(shù)據(jù)總線控制權(quán)的傳遞，絕對不能出現(xiàn)有2個或者2個以上設(shè)備同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計之初，考慮了兩種總線控制方式有接力式和點名式：

（1）接力式總線控制方式

這種控制方式的基本思路是：初始化后，所有單片機在接收完P(guān)C機數(shù)據(jù)后，處于串行接收狀態(tài)，不占用總線控制權(quán)。PC機發(fā)出回送開始指令，第1個單片機響應(yīng)該指令，并立即占有總線控制權(quán)，向總線上的PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，緊接著第1個單片機發(fā)送控制指令，通知第2個單片機，同時第1個單片機退出總線控制權(quán)，處于接收狀態(tài)；第2個單片機接收到第1個單片機的開始指令后，和前面第1個單片機一樣，開始向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，并在結(jié)束傳送之后通知第3個單片機，如此這般，不斷接力傳輸，輪流控制總線，直至最后一個單片機完成數(shù)據(jù)傳送。在單片機控制總線，進行回傳的過程中，如果要通過PC機向某個或者某些單片機傳送數(shù)據(jù)時，PC機軟件會自動將這些數(shù)據(jù)存儲下來，等到最后一個單片機接收向PC機送數(shù)據(jù)之后，PC機再占用數(shù)據(jù)總線，開始向單片機傳送數(shù)據(jù)。

（2）點名式總線控制方式

該控制方式與接力式控制方式大體相同，不同的是這種控制方式需要等待PC機點名指令。系統(tǒng)初始化后，單片機接收PC機指令、數(shù)據(jù)之后，PC機發(fā)送點名指令，讓第1個單片機開始傳送數(shù)據(jù)，第1個單片機接收該指令后，立即占用總線，開始傳送數(shù)據(jù)，傳送結(jié)束后，發(fā)送結(jié)束指令至PC機，PC機在接收該結(jié)束指令后，立即占用總線，再發(fā)送點名指令，讓第2個單片機開始傳送數(shù)據(jù)，如此不斷動作，直至最后一個單片機結(jié)束傳送。

在單片機傳送數(shù)據(jù)時，如果PC機要送數(shù)據(jù)至單片機，可以在接收完某個單片機數(shù)據(jù)之后，暫停發(fā)送點名指令，直接發(fā)送數(shù)據(jù)至某個或者某些單片機。待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，繼續(xù)接上原先的中斷的點名順序號，繼續(xù)向后點名、傳送數(shù)據(jù)。綜合考慮這兩種總線控制方式，不難發(fā)現(xiàn)，由于沒有來回傳遞點名的指令時間開銷，接力式的傳輸效率會略高于點名式，所以，一開始還是采用了接力式的控制方式。

但是在進行大的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，問題出現(xiàn)了。由于接力式脫離PC機的過程干預(yù)，一旦出現(xiàn)某個單片機程序跑飛、死機時，整個程序就沒法進行下去，一直處于等待狀態(tài)，整個系統(tǒng)就癱瘓了。調(diào)試過程中出現(xiàn)過好幾次死機的情況。最后，不得不回頭修改總體方案，采用點名式的控制方式。如果中間某個單片機出現(xiàn)異常，沒有按照預(yù)定的程序回傳數(shù)據(jù)，則PC機就可以判斷該單片機死機，在經(jīng)歷過一段等待時間后，自行跳過該單片機，點名下一個單片機，繼續(xù)后續(xù)的回傳和程序。如果該故障單片機還在占用總線，影響下一個單片機的工作，則對單片機公用的復(fù)位端發(fā)送一個整體復(fù)位信號，讓所有單片機復(fù)位。經(jīng)過重新調(diào)整方案后，經(jīng)過長時間運行，均沒有出現(xiàn)整機死機的狀況，總體運行情況良好。另外，這種控制方式還有其他兩種控制方式所不具有的優(yōu)勢：

可以隨時打斷回傳，幾乎實時發(fā)送新的指令到某個或者某些單片機上，該功能是非常實用的。

2系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

根據(jù)系統(tǒng)的總體要求，構(gòu)建了如圖1所示的硬件平臺。

整個系統(tǒng)采用RS485總線結(jié)構(gòu)，RS485為差分平衡數(shù)字通信方式，具有較強的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于遠距離數(shù)字通信。RS485和RS422A總線最大的區(qū)別是RS485可以單工雙向傳輸，而RS422A只能單向傳輸數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)由于存在大量單片機，如果使用RS422A，電纜會增加一倍。另外，由于標準的RS485鏈路只可以連接32個設(shè)備，故每個轉(zhuǎn)換器上要增加驅(qū)動器。目前PC機上已經(jīng)很難找到串口了，故PC機與RS485總線之間采用PL2303芯片進行橋接。PL2303為Prolific公司產(chǎn)品，可以很方便地將USB接口轉(zhuǎn)換成標準RS232電平，用戶根本不用關(guān)心復(fù)雜的USB協(xié)議和規(guī)范，在PC端的軟件編程中，只需像標準com口一樣使用USB口，因為Prolific公司提供的驅(qū)動中，已經(jīng)將該USB口模擬成了一個標準的com口了。該芯片最高速度可以達到115200b/s，極大地方便了普通串行通信與PC機的連通。復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路也是一個單片機，不過該單片機只完成兩個功能。一個是就是接收RS485總線前的PC機TXD（RS232端的TXD）發(fā)出信號，一旦出現(xiàn)PC機發(fā)出的全局復(fù)位串行代碼后，立即產(chǎn)生一個全局復(fù)位信號，將所有單片機進行復(fù)位。該功能就是為了防止某個單片機出現(xiàn)故障，一直意外占用總線，導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。

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為了實現(xiàn)RS485的半雙工通信，必須有一個方向切換控制信號，如圖2所示。在單片機端，這個控制信號很容易獲得，引出一個I/O腳，即可在單片機程序中控制該信號的切換；但是PC機端的RS485的切換就相對比較麻煩，這也是復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路完成的另外一個重要功能：讀寫轉(zhuǎn)換。如果PC機要占用RS485總線，則發(fā)送一個特定的串行碼，該專用單片機接收并響應(yīng)該串行碼，切換RS485控制器，開始占用485總線并發(fā)送數(shù)據(jù)，如果PC機結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)，則要同時發(fā)送一個特定的串行碼，通知該專用單片機，進行相應(yīng)的RS485切換。單片機及其附屬電路組成了相關(guān)的功能電路。

主單片機采用了Silicon公司的8051F020型增強型單片機。該單片機最大的優(yōu)勢是內(nèi)部集成的模擬電路功能較為強大、單片機運行速度快、程序編寫-燒寫-仿真較為方便。

3系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

軟件分為3個部分：PC機上位機程序、單片機通用程序和專用單片機程序。專用單片機的程序運行在復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路中，該程序較為簡單，就是在上電后，一直按照約定的波特率和數(shù)據(jù)格式接收PC機送出的串行數(shù)據(jù)，若得到的數(shù)據(jù)符合約定的復(fù)位格式，則送出復(fù)位信號；若接收到的數(shù)據(jù)符合總線切換的格式，則送出相應(yīng)的切換信號。PC機上位機程序比較復(fù)雜，可以根據(jù)用戶的實際需要，編寫相關(guān)的應(yīng)用程序。在本文中，采用Delphi編寫了應(yīng)用程序，實現(xiàn)了對單片機群的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)調(diào)整、信息反饋和系統(tǒng)控制。

單片機通用程序分別運行在100多個單片機上，是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。圖3為單片機程序流程圖。

單片機初始化后，接收PC機送來的初始指令，然后開始運行主程序，執(zhí)行單片機的主功能。同時開放串行接收中斷，一旦接收到PC機發(fā)來的指令，就進行對比判斷，如果是PC機對自己的點名，則響應(yīng)PC機的回送指令，開始占用總線，向PC機傳送數(shù)據(jù)，結(jié)束后向PC機發(fā)送結(jié)束狀態(tài)字，結(jié)束占用總線，回到主程序，同時等待接收串行數(shù)據(jù)。

4結(jié)語

經(jīng)過大量試驗，課題組應(yīng)用點名式總線控制方式，成功解決了PC機與大量單片機的雙向互通問題，實現(xiàn)了100多個單片機與主控PC機之間的互通信，達到了設(shè)計要求。電路經(jīng)過長時間運行，實際情況表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控制靈活、可靠性高，采用的點名式總線控制方式具有很好的實用價值。