PC機(jī)與單片機(jī)多機(jī)主從互通的實(shí)現(xiàn)

　　0引言

　　PC機(jī)與單片機(jī)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(jī)與單片機(jī)之間一般采用串行通信方式，按照一定的格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令的交換，完成PC機(jī)對(duì)單片機(jī)的控制、數(shù)據(jù)前送，或者單片機(jī)上數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息的回送。

　　當(dāng)單片機(jī)數(shù)量較多時(shí)，比較容易實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)所有單片機(jī)的控制。一般在這種情況下，采用廣播的方式。

　　所有單片機(jī)都掛在一條串行數(shù)據(jù)總線上，只需對(duì)單片機(jī)進(jìn)行地址編碼，PC機(jī)將地址數(shù)據(jù)和控制報(bào)文進(jìn)行廣播，單片機(jī)接收廣播數(shù)據(jù)后進(jìn)行地址比對(duì)，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(jī)要對(duì)單片機(jī)多機(jī)進(jìn)行廣播，并回傳所有單片機(jī)的信息，即單片機(jī)還要發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機(jī)，再加上單片機(jī)數(shù)量較多(大于100個(gè)單片機(jī))，則要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)多機(jī)的互相通信，難度是比較大的。

　　本文提出了一種切實(shí)可行的方法，通過(guò)實(shí)際電路搭建和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)多機(jī)的互相通信，達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)，使該系統(tǒng)具有如下功能：

　　(1)PC機(jī)可以對(duì)所有100多個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)需要，發(fā)送不同控制字到達(dá)每個(gè)單片機(jī);

　　(2)PC機(jī)對(duì)單片機(jī)的狀態(tài)修改是隨機(jī)的、沒(méi)有規(guī)律的;

　　(3)所有單片機(jī)將自身的一些狀態(tài)信息按照順序回傳至PC機(jī)。

　　1互通信的幾種實(shí)現(xiàn)方法

　　PC機(jī)至多個(gè)單片機(jī)的廣播比較簡(jiǎn)單，難度較大的是多個(gè)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機(jī)。由于100多個(gè)單片機(jī)均掛在一個(gè)數(shù)據(jù)總線上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就在于數(shù)據(jù)總線控制權(quán)的傳遞，絕對(duì)不能出現(xiàn)有2個(gè)或者2個(gè)以上設(shè)備同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，考慮了兩種總線控制方式有接力式和點(diǎn)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(jī)在接收完P(guān)C機(jī)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(jī)發(fā)出回送開始指令，第1個(gè)單片機(jī)響應(yīng)該指令，并立即占有總線控制權(quán)，向總線上的PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，緊接著第1個(gè)單片機(jī)發(fā)送控制指令，通知第2個(gè)單片機(jī)，同時(shí)第1個(gè)單片機(jī)退出總線控制權(quán)，處于接收狀態(tài);第2個(gè)單片機(jī)接收到第1個(gè)單片機(jī)的開始指令后，和前面第1個(gè)單片機(jī)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(gè)單片機(jī)，如此這般，不斷接力傳輸，輪流控制總線，直至最后一個(gè)單片機(jī)完成數(shù)據(jù)傳送。在單片機(jī)控制總線，進(jìn)行回傳的過(guò)程中，如果要通過(guò)PC機(jī)向某個(gè)或者某些單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，PC機(jī)軟件會(huì)自動(dòng)將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，等到最后一個(gè)單片機(jī)接收向PC機(jī)送數(shù)據(jù)之后，PC機(jī)再占用數(shù)據(jù)總線，開始向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

　　(2)點(diǎn)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(jī)點(diǎn)名指令。系統(tǒng)初始化后，單片機(jī)接收PC機(jī)指令、數(shù)據(jù)之后，PC機(jī)發(fā)送點(diǎn)名指令，讓第1個(gè)單片機(jī)開始傳送數(shù)據(jù)，第1個(gè)單片機(jī)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(jī)，PC機(jī)在接收該結(jié)束指令后，立即占用總線，再發(fā)送點(diǎn)名指令，讓第2個(gè)單片機(jī)開始傳送數(shù)據(jù)，如此不斷動(dòng)作，直至最后一個(gè)單片機(jī)結(jié)束傳送。

　　在單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，如果PC機(jī)要送數(shù)據(jù)至單片機(jī)，可以在接收完某個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)之后，暫停發(fā)送點(diǎn)名指令，直接發(fā)送數(shù)據(jù)至某個(gè)或者某些單片機(jī)。待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，繼續(xù)接上原先的中斷的點(diǎn)名順序號(hào)，繼續(xù)向后點(diǎn)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(méi)有來(lái)回傳遞點(diǎn)名的指令時(shí)間開銷，接力式的傳輸效率會(huì)略高于點(diǎn)名式，所以，一開始還是采用了接力式的控制方式。

　　但是在進(jìn)行大的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，問(wèn)題出現(xiàn)了。由于接力式脫離PC機(jī)的過(guò)程干預(yù)，一旦出現(xiàn)某個(gè)單片機(jī)程序跑飛、死機(jī)時(shí)，整個(gè)程序就沒(méi)法進(jìn)行下去，一直處于等待狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)就癱瘓了。調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)好幾次死機(jī)的情況。最后，不得不回頭修改總體方案，采用點(diǎn)名式的控制方式。如果中間某個(gè)單片機(jī)出現(xiàn)異常，沒(méi)有按照預(yù)定的程序回傳數(shù)據(jù)，則PC機(jī)就可以判斷該單片機(jī)死機(jī)，在經(jīng)歷過(guò)一段等待時(shí)間后，自行跳過(guò)該單片機(jī)，點(diǎn)名下一個(gè)單片機(jī)，繼續(xù)后續(xù)的回傳和程序。如果該故障單片機(jī)還在占用總線，影響下一個(gè)單片機(jī)的工作，則對(duì)單片機(jī)公用的復(fù)位端發(fā)送一個(gè)整體復(fù)位信號(hào)，讓所有單片機(jī)復(fù)位。經(jīng)過(guò)重新調(diào)整方案后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，均沒(méi)有出現(xiàn)整機(jī)死機(jī)的狀況，總體運(yùn)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(shì)：

　　可以隨時(shí)打斷回傳，幾乎實(shí)時(shí)發(fā)送新的指令到某個(gè)或者某些單片機(jī)上，該功能是非常實(shí)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(tái)。

　　整個(gè)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(qiáng)的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)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(jī)，如果使用RS422A，電纜會(huì)增加一倍。另外，由于標(biāo)準(zhǔn)的RS485鏈路只可以連接32個(gè)設(shè)備，故每個(gè)轉(zhuǎn)換器上要增加驅(qū)動(dòng)器。目前PC機(jī)上已經(jīng)很難找到串口了，故PC機(jī)與RS485總線之間采用PL2303芯片進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)com口一樣使用USB口，因?yàn)镻rolific公司提供的驅(qū)動(dòng)中，已經(jīng)將該USB口模擬成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的com口了。該芯片最高速度可以達(dá)到115200b/s，極大地方便了普通串行通信與PC機(jī)的連通。復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路也是一個(gè)單片機(jī)，不過(guò)該單片機(jī)只完成兩個(gè)功能。一個(gè)是就是接收RS485總線前的PC機(jī)TXD(RS232端的TXD)發(fā)出信號(hào)，一旦出現(xiàn)PC機(jī)發(fā)出的全局復(fù)位串行代碼后，立即產(chǎn)生一個(gè)全局復(fù)位信號(hào)，將所有單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。該功能就是為了防止某個(gè)單片機(jī)出現(xiàn)故障，一直意外占用總線，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

　　為了實(shí)現(xiàn)RS485的半雙工通信，必須有一個(gè)方向切換控制信號(hào)，如圖2所示。在單片機(jī)端，這個(gè)控制信號(hào)很容易獲得，引出一個(gè)I/O腳，即可在單片機(jī)程序中控制該信號(hào)的切換;但是PC機(jī)端的RS485的切換就相對(duì)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(gè)重要功能：讀寫轉(zhuǎn)換。如果PC機(jī)要占用RS485總線，則發(fā)送一個(gè)特定的串行碼，該專用單片機(jī)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(jī)結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)，則要同時(shí)發(fā)送一個(gè)特定的串行碼，通知該專用單片機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的RS485切換。單片機(jī)及其附屬電路組成了相關(guān)的功能電路。

　　主單片機(jī)采用了Silicon公司的8051F020型增強(qiáng)型單片機(jī)。該單片機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是內(nèi)部集成的模擬電路功能較為強(qiáng)大、單片機(jī)運(yùn)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(gè)部分：PC機(jī)上位機(jī)程序、單片機(jī)通用程序和專用單片機(jī)程序。專用單片機(jī)的程序運(yùn)行在復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路中，該程序較為簡(jiǎn)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(jī)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(hào);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(hào)。PC機(jī)上位機(jī)程序比較復(fù)雜，可以根據(jù)用戶的實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)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(jī)通用程序分別運(yùn)行在100多個(gè)單片機(jī)上，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。圖3為單片機(jī)程序流程圖。

　　單片機(jī)初始化后，接收PC機(jī)送來(lái)的初始指令，然后開始運(yùn)行主程序，執(zhí)行單片機(jī)的主功能。同時(shí)開放串行接收中斷，一旦接收到PC機(jī)發(fā)來(lái)的指令，就進(jìn)行對(duì)比判斷，如果是PC機(jī)對(duì)自己的點(diǎn)名，則響應(yīng)PC機(jī)的回送指令，開始占用總線，向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)，結(jié)束后向PC機(jī)發(fā)送結(jié)束狀態(tài)字，結(jié)束占用總線，回到主程序，同時(shí)等待接收串行數(shù)據(jù)。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，課題組應(yīng)用點(diǎn)名式總線控制方式，成功解決了PC機(jī)與大量單片機(jī)的雙向互通問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了100多個(gè)單片機(jī)與主控PC機(jī)之間的互通信，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。電路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，實(shí)際情況表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制靈活、可靠性高，采用的點(diǎn)名式總線控制方式具有很好的實(shí)用價(jià)值。