基于51單片機(jī)的多機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔

1 題設(shè)要求分析

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成

2.2 系統(tǒng)的工作原理

2.3 硬件電路原理圖設(shè)計(jì)

2.4 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

3 軟件電路的設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

3.2 主機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.3 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

4.1 從機(jī)模塊調(diào)試

4.2 LED顯示模塊調(diào)試

4.3電平轉(zhuǎn)換模塊功能調(diào)試

4.4主機(jī)模塊功能調(diào)試

4.5整體設(shè)計(jì)功能調(diào)試

1 題設(shè)要求分析

本小組的試驗(yàn)項(xiàng)目如下：

一、任務(wù)：

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)之間的串行通信

二、基本要求（難度系數(shù)0.8）：

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)主從式多機(jī)通信系統(tǒng)，包含1臺(tái)主機(jī)和3臺(tái)從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)全部為單片機(jī)；

（2）選擇合適總線接口芯片，正確連接主機(jī)和從機(jī)；

（3）編程實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集功能，主機(jī)可以獲取各分機(jī)當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，并顯示。

三、發(fā)揮部分：

（1）完善通信功能。（根據(jù)完成情況加分，上限+0.2）

經(jīng)過本小組成員對(duì)本課題認(rèn)真討論先做出如下分析：

              對(duì)課題分析后本小組認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)的目的是就是應(yīng)用單片的串口通信功能實(shí)現(xiàn)一個(gè)分布式采集系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)中包含一片主機(jī)和三片從機(jī)，主機(jī)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)三片從機(jī)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的采集并在數(shù)碼管上顯示之。這樣從硬件的角度上將整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)模塊——主機(jī)模塊和從機(jī)模塊。主機(jī)模塊中包含單片機(jī)模塊、led數(shù)碼管顯示子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊，從機(jī)模塊則包括單片機(jī)子模塊、AD轉(zhuǎn)換子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊。就本次試驗(yàn)而言硬件電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于串口電平轉(zhuǎn)換芯片的選擇及其連接，而軟件的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于串口通信協(xié)議的制定及相關(guān)程序的編寫。

實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信方案的實(shí)現(xiàn)。不同于雙機(jī)通信多機(jī)通信系統(tǒng)中需要識(shí)別通信信息發(fā)出者或是接受者是誰。經(jīng)過查閱資料發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)的多機(jī)通信系統(tǒng)中都是才采用地址識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)的。所謂地址識(shí)別方法就是在發(fā)送或接受信息前先發(fā)送和校驗(yàn)地址幀。就本項(xiàng)目而言，先要對(duì)通信系統(tǒng)中的每臺(tái)機(jī)器分配一個(gè)唯一的地址作為識(shí)別信息。具體的識(shí)別過程如下：

• 首先，從機(jī)處于只接收地址幀的狀態(tài)；
• 主機(jī)發(fā)送一幀地址信息；
• 從機(jī)接受到地址幀后，將本機(jī)地址與地址幀中的地址進(jìn)行比較，如果地址相同準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)，否則丟棄當(dāng)前幀，依然處于只接受地址幀的狀態(tài)；
• 主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，相應(yīng)的從機(jī)接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機(jī)繼續(xù)回到只接受地址幀的狀態(tài)，在這個(gè)過程中其他從機(jī)不受影響；
• 當(dāng)主機(jī)需要與其他從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以再次發(fā)送地址幀呼叫從機(jī)，重復(fù)這一過程[1]。
  

對(duì)于本題而言可通過此過程實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)從機(jī)的絕對(duì)控制。這樣在主機(jī)中編寫一個(gè)循環(huán)程序就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)從機(jī)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的不停采集。至于地址幀與數(shù)據(jù)幀的區(qū)別則可通過串口工作方式三下的第九位的置1或置0來實(shí)現(xiàn)。在完成通信的基礎(chǔ)上，再將采集到的三路結(jié)果分別用兩個(gè)led數(shù)碼管顯示即可試驗(yàn)預(yù)期目的。

根據(jù)項(xiàng)目分析可知硬件電分為主機(jī)模塊和從機(jī)模塊。主機(jī)模塊中包含單片機(jī)子模塊、led數(shù)碼管顯示子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊，從機(jī)模塊則包括單片機(jī)子模塊、AD轉(zhuǎn)換子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊。在主模塊中由AT89S51單片機(jī)擔(dān)任主機(jī)，六個(gè)led數(shù)碼管擔(dān)任顯示設(shè)備和一片MAX485擔(dān)任串口的電平轉(zhuǎn)換。在整個(gè)主機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)從機(jī)模塊三個(gè)從機(jī)模塊結(jié)構(gòu)一樣，有一片AT89S51單片機(jī)擔(dān)任從機(jī)外接一片ADC0809轉(zhuǎn)換芯片和一片MAX485擔(dān)任串口的電平轉(zhuǎn)換。串口采用單工及異步通信方式。整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)原如圖1所示。

              主機(jī)AT89S51編程可實(shí)現(xiàn)循環(huán)訪問個(gè)從機(jī)，當(dāng)從機(jī)接受主機(jī)訪問后啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換設(shè)備ADC0809對(duì)外部模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)從機(jī)獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果后通過串口將其發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)接受到轉(zhuǎn)換結(jié)果后再將其發(fā)送到相應(yīng)的led數(shù)碼管顯示。

（1）led數(shù)碼管顯示電路              led數(shù)碼管顯示電路如圖2所示顯示子模塊由六個(gè)數(shù)碼管和相應(yīng)的啟動(dòng)芯片構(gòu)成。其中每路通道的采集值用量為數(shù)碼管顯示。為了節(jié)約單片機(jī)的I/O口本題的數(shù)碼管采用MAX7219芯片。給芯片的優(yōu)點(diǎn)在于可完成電路的刷新。MAX7219芯片的SEG A-SEG DP為數(shù)碼管段碼接口，DIG0-DIG7為位碼接口，CLK、DIN、LOAD分別與單片機(jī)P1.0、P1.1、P1.2連接。單片機(jī)通過串行的方式將要顯示的數(shù)據(jù)通過CLK、DIN、LOAD三個(gè)接口送入相應(yīng)的顯示寄存器內(nèi)，MAX7219將自動(dòng)完成對(duì)數(shù)碼管的刷新工作。具體的電路如圖2所示。

（2）串口電平轉(zhuǎn)換電路  串口電平轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖3所示：本實(shí)驗(yàn)中采用MAX485的電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX485是一種RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口的電平轉(zhuǎn)換芯片。RS-485采用差分式半雙工通信方式，真正實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)總線連接，具有傳輸距離遠(yuǎn)可靠性高的特點(diǎn)�；�于以上原因本小組選擇該芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MAX485的1號(hào)引腳RO為接收端接單片RXD, 4號(hào)引腳DI為發(fā)送端接單片TXD, 2、3號(hào)引腳分別為發(fā)送接收使能端端接單片P1.3引腳。6、7號(hào)引腳總線接線口。

              根據(jù)設(shè)計(jì)要求繪制主機(jī)模塊電路圖如圖4所示。

（4）從機(jī)模塊電路

              根據(jù)設(shè)計(jì)要求繪制從機(jī)模塊電路圖如圖5所示。

              首先是主從機(jī)電路的實(shí)現(xiàn)。主機(jī)的電路的搭建采用主CPU板、鍵盤顯示接口板各一塊。照實(shí)驗(yàn)原理圖將主CPU板的P0口接到鍵盤顯示接口板的位碼接口，P1口接到鍵盤顯示接口板的段碼的接口。從機(jī)的電路由CPU板和ADDA轉(zhuǎn)換板構(gòu)成。

              其次是電平轉(zhuǎn)換電路的焊接。電平轉(zhuǎn)換的路的實(shí)現(xiàn)是通過自己搭建電路完成。電平轉(zhuǎn)換的電路主要有四塊MAX485和兩個(gè)100Ω電阻構(gòu)成。四塊MAX485采用總線方式連接，每個(gè)芯片分別引出三個(gè)引腳用于單片的連接。

              最后將各個(gè)模塊的按照原理圖連接起來。

              

通信協(xié)議的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)是本題的重點(diǎn)難點(diǎn)，本題通信協(xié)議主要是區(qū)別主機(jī)和從機(jī)。由于串口的方式2、3發(fā)送和接收都是11位其第九為可編程置位可以此作為區(qū)分地址幀與數(shù)據(jù)幀從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)，從機(jī)與從機(jī)的區(qū)別。通信協(xié)議同樣要規(guī)定相同通信速率。參考相關(guān)資料后編寫如下的通信協(xié)議。

•      數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方均使用9600kb/s的速率傳送數(shù)據(jù)，使用主從式通信，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)接受數(shù)據(jù)，雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使用查詢方式。
•      雙機(jī)開始數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主機(jī)發(fā)送地址幀呼叫從機(jī)。
•      各從機(jī)開始都處于只收地址幀狀態(tài)。接收到地址幀后，將接收到的地址內(nèi)容和本機(jī)地址比較，如果地址相同，則向主機(jī)返回本機(jī)地址作為確認(rèn)信息，并開始接收數(shù)據(jù)；如果不同，則繼續(xù)等待。
•      主機(jī)在發(fā)送地址幀后等待，如果接收到的應(yīng)答信息中的內(nèi)容和所發(fā)地址幀的內(nèi)容相同，就開始發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不一致，主機(jī)將繼續(xù)發(fā)送地址幀。如多次應(yīng)答仍無回應(yīng)則認(rèn)為出錯(cuò)則主機(jī)跳出本次通信。
•      從機(jī)在接收完數(shù)據(jù)后，將根據(jù)最后的校驗(yàn)結(jié)果判斷數(shù)據(jù)接收是否正確，若校驗(yàn)真確，則向主機(jī)發(fā)送2AH信號(hào)，同時(shí)點(diǎn)亮led燈半秒鐘，表示本次通信成功；若校驗(yàn)錯(cuò)誤，則發(fā)送F0H信號(hào)，表示接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，并請(qǐng)求從發(fā)。
•      主機(jī)接收到2AH信號(hào)，則通信結(jié)束，否則主機(jī)將重新發(fā)送這組數(shù)據(jù)。
  

              依據(jù)試驗(yàn)要求及相應(yīng)的通信協(xié)議現(xiàn)繪制如下的主機(jī)程序流程圖：

從機(jī)程序：

4 系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

對(duì)本課題的設(shè)計(jì)思路清晰之后，我們接下來所需要做的工作就是依據(jù)我們的方案編程實(shí)現(xiàn)功能。本過程可以分為五個(gè)部分：從機(jī)模塊調(diào)試、 LED顯示模塊調(diào)試、電平轉(zhuǎn)換模塊功能調(diào)試、主機(jī)模塊功能調(diào)試、整體設(shè)計(jì)功能調(diào)試。

從機(jī)部分實(shí)現(xiàn)的功能是針對(duì)主機(jī)發(fā)送來的地址進(jìn)行對(duì)照，如果是自己的從機(jī)地址，就會(huì)發(fā)送AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。為了檢測(cè)此部分的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，我們借助串口測(cè)試軟件，發(fā)送預(yù)設(shè)的從機(jī)地址看看該從機(jī)是否會(huì)把AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果發(fā)送來。此從機(jī)調(diào)試模塊分為兩個(gè)層次：1、用一個(gè)簡(jiǎn)單的程序測(cè)試從機(jī)硬件部分是否能正常運(yùn)行；2、在硬件良好的情況下測(cè)試編寫的從機(jī)部分代碼能否順利實(shí)現(xiàn)功能。

該部分相比較而言簡(jiǎn)單一點(diǎn)，其實(shí)也可以歸為主機(jī)模塊調(diào)試的一部分。LED功能就是用來顯示DA轉(zhuǎn)換的結(jié)果。連接好電路之后，用個(gè)小程序測(cè)試LED顯示功能良好的情況下顯示從機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。此部分在主機(jī)模塊功能調(diào)試具體介紹。

此部分硬件電路多為我們自己焊接。包括4片MAX485轉(zhuǎn)換芯片組成的電平轉(zhuǎn)換電路。它們完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端,當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。由于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)不足，我們匹配電阻選擇了一個(gè)阻值為10KΩ的電阻，造成芯片燒壞，此處應(yīng)引起注意。

當(dāng)主機(jī)發(fā)送地址幀呼叫從機(jī)時(shí)從機(jī)將接收到的內(nèi)容與自己的地址比較，如若相同從機(jī)會(huì)向主機(jī)發(fā)送主機(jī)所需要的數(shù)據(jù)。而主機(jī)接收到正確的數(shù)據(jù)，便會(huì)通過LED數(shù)碼管顯示出來，這樣便會(huì)實(shí)現(xiàn)我們預(yù)想的主機(jī)模塊功能。當(dāng)然主機(jī)部分程序包含上面調(diào)試好的LED顯示模塊程序。此處將從機(jī)送來的數(shù)值通過調(diào)用LED顯示模塊子程序顯示出來。LED顯示模塊分為三個(gè)區(qū)域，從機(jī)0、從機(jī)1、從機(jī)2分別占用2個(gè)顯示管。

各個(gè)模塊程序功能調(diào)試好之后，將他們各就各位。但此時(shí)我們又遇到一個(gè)難題：從機(jī)送給主機(jī)的數(shù)據(jù)在經(jīng)MAX485傳遞給主機(jī)時(shí)讀出來的不是理想的結(jié)果，后經(jīng)過示波器查看輸出波形，經(jīng)多次調(diào)試，將主機(jī)與從機(jī)時(shí)序調(diào)整一致才得以在主機(jī)收到從機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。
5 總結(jié)與體會(huì)

為期一個(gè)禮拜的單片機(jī)設(shè)計(jì)就這么快的結(jié)束了，在這短暫的一個(gè)星期里我們學(xué)到了很多很多。我們?cè)谡n堂上掌握的僅僅是書面的理論知識(shí)，如何去鍛煉我們的實(shí)踐能力，如何把我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去呢？我想做此類的設(shè)計(jì)就為我們提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。

在做本次設(shè)計(jì)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的資料，無論是課本上的還是網(wǎng)上的我們都學(xué)習(xí)了不少，從中也借鑒了別人的思想，開闊了自己的思路。做單片機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)者對(duì)軟硬件的理解和掌握的要求比較高。在設(shè)計(jì)程序之前，設(shè)計(jì)者必學(xué)對(duì)所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)內(nèi)有哪些資源；要有一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的的軟件流程圖；在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄想一次就將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個(gè)程序的完美與否不僅僅是實(shí)現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計(jì)過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中就遇到了一系列問題，比如剛剛開始時(shí)硬件電路的連接，針對(duì)MAX485芯片匹配電阻的選擇，從機(jī)與主機(jī)握手的過程等等，在大家仔細(xì)的思考和老師同學(xué)的幫助下順利解決。

基于51單片機(jī)的多機(jī)通信系統(tǒng).doc (616 KB, 下載次數(shù): 71)

2018-5-22 16:40 上傳

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