PC機與多MCS－51單片機間的串行通信硬件設(shè)計

【摘　要】　主要講解了IBM－PC機與MCS－51單片機多機系統(tǒng)的通信原理，給出了其硬件接口框圖，并詳細地分析了系統(tǒng)的多機通信軟件設(shè)計。
　　關(guān)鍵詞：單片機，分布式系統(tǒng)，串行通信

1　引　言
　　在測控系統(tǒng)和工程應(yīng)用中，常遇到多項任務(wù)需同時執(zhí)行的情況，因而主從式多機分布式系統(tǒng)成為現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用的模式。它們大多由IBM－PC微機和MCS－51單片機組成。單片機功能強、體積小、價格低廉、開發(fā)應(yīng)用方便，尤其具有全雙工串行通訊的特點，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能儀器儀表、家用電器方面都有廣泛的應(yīng)用。同時，IBM－PC機正好補充單片機人機對話和外圍設(shè)備薄弱的缺陷。各單片機獨立完成數(shù)據(jù)采集處理和控制任務(wù)，同時通過通信接口將數(shù)據(jù)傳給PC機，PC機將這些數(shù)據(jù)進行處理、顯示或打印，把各種控制命令傳給單片機，以實現(xiàn)集中管理和最優(yōu)控制。
　　故IBM－PC機（上位機）與各MCS－51單片機（下位機）之間的通信顯得尤其重要。本文主要探討它們之間的遠距離串行通信接口和軟件程序設(shè)計。
2　硬件設(shè)計接口
　　RS－232－C串行通信接口是美國電氣工業(yè)協(xié)會（EIA）與BELL公司等一起開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，現(xiàn)在它在終端、外設(shè)與計算機中被廣泛采用。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了21個信號和25個引腳，但在智能儀器與計算機之間的通信中常用2個信號及3個引腳（2腳數(shù)據(jù)輸入，3腳數(shù)據(jù)輸出，7腳信號地）。它采用雙極性的負邏輯信號，0邏輯信號為＋3V至12V，1邏輯信號為－3V至－12V，它的傳輸速率最大為20kbit／s，傳輸距離僅為15m。由于RS－232主要是完成電平移位、轉(zhuǎn)換和信號反相等，所以它有自己的電平轉(zhuǎn)換與驅(qū)動芯片，如MC1488（發(fā)送）與MC1489（接受）。IBM－PC機有兩個標(biāo)準(zhǔn)的RS－232串行口，其電平采用的是EIA電平，而MCS－51單片機的串行通信是由TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）和RXD（接收數(shù)據(jù)）來進行全雙工通信的，它們的電平是TTL電平，為了PC機與MCS－51機之間能可靠地進行串行通信，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片。由于MC1488和MC1489需要±12V、＋5V電源供電，故采用MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源的MAX232芯片，因為它自身帶有電源電壓變換器，可以把＋5V電源變換成RS－232輸出電平所需的±10V電壓，能實現(xiàn)RS－232的技術(shù)指標(biāo)，并只需要＋5V的電源，為串行通信帶來了較好的性能和低廉的價格。MAX232的接口電路圖如圖2所示。

　　PC機采用可編程串行異步通信控制器8251A來實現(xiàn)，通過對INS8251A初始化可以控制串行數(shù)據(jù)傳送格式和速度及其工作方式，使得它與單片機的通信方式一致，從而實現(xiàn)PC機與單片機之間的通信。MCS－51和8251A的連接圖見圖3。

　　由于遠距離數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)中用了兩片MAX485芯片進行數(shù)據(jù)傳送，還采用了兩級光電隔離來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。單片機和PC機之間的RS－232通信硬件接口電路框圖如圖4所示。
3　串行通信的軟件程序設(shè)計
3．1　主從式多機通信原理
　　MCS－51用于多機通信時必須工作在方式2或方式3。以方式3為例，每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)為11位：1位起始位（0），8位數(shù)據(jù)位和1位停止位（1），附加的第9位數(shù)據(jù)在非多機系統(tǒng)中為奇偶校驗位，在發(fā)送端有SCON的TB8產(chǎn)生，在接收端傳送到SCON的RB8。它還可設(shè)定為“0”或“1”作為在多機通信中區(qū)分數(shù)據(jù)幀（0標(biāo)志）還是地址幀（1標(biāo)志）的標(biāo)志。在MCS－51多機系統(tǒng)中有以下協(xié)議：所有的各從機均處于聽命狀態(tài)，即SM2＝1，以便接收主機發(fā)來的地址，當(dāng)接收到一幀信息的RB8為“1”時，表示主機發(fā)送來的是地址信息，所有的從機均發(fā)生接收中斷，否則中斷屏蔽。當(dāng)一從機進入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，把接收到的地址和本機的地址比較，如果相符合就令其SM2＝0，并向主機發(fā)回本機地址以作應(yīng)答，該從機就與主機聯(lián)通，準(zhǔn)備接收主機發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)信息，而其他的未被尋址從機保持SM2＝1并退出各自的中斷服務(wù)程序。這樣，只有SM2＝0的從機才能接收到主機發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，順利實現(xiàn)地址幀和數(shù)據(jù)幀的分離。被尋址從機在通信完成后重新使SM2＝1，并退出中斷服務(wù)程序，等待下次通信。

3．2　多機通信協(xié)議
　　要實現(xiàn)單片機和PC機的正常通信，必須正確設(shè)定它們兩者之間的通信方式，保證雙方都用相同的波特率、起始位、停止位、奇偶校驗位，并且要建立雙方通信的應(yīng)答信號。
　　單片機既可工作在同步移位寄存器方式下也可工作在UART（通用異步收發(fā)器）下。串行口的通信方式是由特殊功能寄存器SCON來控制的。其各控制定義如下：

SM0，SM1：工作模式設(shè)定位；SM2：允許使用方法2、3多機通信控制位；RB8：接收數(shù)據(jù)第9位；TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)第9位；TI：發(fā)送中斷標(biāo)志；RI：接收中斷標(biāo)志。本文中工作方式為3，即9位UART定時器T1作為波特率發(fā)生器，工作在方式2，若選定波特率為1200bps，則計數(shù)初值為0E8H（SMOD＝0，時鐘頻率Fosc為11．059MHz）。
　　PC機的異步通信接口為INTEL8251A，它可設(shè)定1位、1．5位或2位停止位，數(shù)據(jù)可在5～8位之間選擇，通信頻率為0～9．6Kbps，有奇偶校驗、幀校驗、溢出校驗三種方式?？赏ㄟ^對它寫入一定的方式控制字、命令控制字從而進行初始化。它與MCS－51的連接如前面所示，則它的數(shù)據(jù)口地址為0F0H，控制口地址為0F1H。它的工作狀態(tài)寄存于其狀態(tài)字寄存器中，可由MCS－51的CPU讀取。通信協(xié)議如下：（1）串行通信波特率為1200bps；（2）幀格式為8位數(shù)據(jù)位，一位起始位，一位可編程的第9位（即發(fā)送和接收的地址／數(shù)據(jù)位的標(biāo)志位），一位停止位；（3）主機和從機遵循主從原則，主機用呼叫方式選擇從機，數(shù)據(jù)在主機和從機之間雙向傳遞，各從機之間的相互通信需通過主機作為中介；（4）主從機之間還應(yīng)傳送一些供它們識別的命令和狀態(tài)字，如以00H表示主機發(fā)送從機接收命令，以01H表示從機發(fā)送主機接收命令等。
3．3　通信程序設(shè)計思路及其實現(xiàn)
　　程序主要包括主機程序（由主機主程序和通信子程序組成）、從機主程序和其中斷服務(wù)程序組成。主機程序主要完成對8251A的初始化以及主機與從機之間的通信，主機程序框圖見圖5。而從機主程序主要完成對串行口的初始化、波特率的設(shè)置（應(yīng)與8251A的波特率一致），它的中斷程序主要用來完成MCS－51單片機與PC機的數(shù)據(jù)通信。從機中斷服務(wù)程序框圖見圖6。

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