一種單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

ID:107593 · 發(fā)表于 2016-3-10 23:25

融合單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)包的格式和控制方式以及引入幀檢測序列，設(shè)計(jì)基于AT89S52的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)多機(jī)通信協(xié)議；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型；網(wǎng)絡(luò)接口電路采用端口轉(zhuǎn)發(fā)的形式等進(jìn)行單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易于擴(kuò)展且提高了穩(wěn)定性。結(jié)果表明，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決了8位單片機(jī)多機(jī)通信的問題，實(shí)現(xiàn)了客戶機(jī)與服戶機(jī)間的通信，以及客戶機(jī)與客戶機(jī)間的通信。

1、引言
隨著單片機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用也從獨(dú)立的單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，由計(jì)算機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。二者的結(jié)合，充分發(fā)揮了單片機(jī)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理上的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理等都有廣泛地應(yīng)用，已滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。許多應(yīng)用都涉及到單片機(jī)多機(jī)通信。然而，單片機(jī)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理方式不同于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，尤其有的單片機(jī)只提供8位的數(shù)據(jù)收發(fā)接口，在一定程度上阻礙了單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用。因此，采用單片機(jī)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的辦法，對單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，在設(shè)計(jì)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型，網(wǎng)絡(luò)接口電路采用端口轉(zhuǎn)發(fā)的形式，實(shí)現(xiàn)了8位單片機(jī)多機(jī)通信。
2、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)
擬定網(wǎng)絡(luò)容量為1臺服務(wù)機(jī)和62臺客戶機(jī)，客戶機(jī)之間可以相互通信�？蛻魴C(jī)和服務(wù)機(jī)之間也可以相互通信。設(shè)計(jì)的協(xié)議考了停止等待協(xié)議，數(shù)據(jù)包參考了IP數(shù)據(jù)包而設(shè)計(jì)。
經(jīng)過綜合分析和優(yōu)化處理，制定如下單片機(jī)多機(jī)通信協(xié)議。
（1）服務(wù)機(jī)協(xié)議
①服務(wù)機(jī)按1/384的間隔發(fā)送詢問數(shù)據(jù)包；
②將當(dāng)前詢問地址加1，判斷，如果大于63則置當(dāng)前詢問地址為1，如果小于1則置當(dāng)前詢問地址為62，轉(zhuǎn)下一步；
③向當(dāng)前詢問地址機(jī)器發(fā)送一詢問數(shù)據(jù)包；
④等待一個(gè)發(fā)送間隔時(shí)間；
⑤如果沒有收到確認(rèn)包則轉(zhuǎn)到將當(dāng)前數(shù)據(jù)包重發(fā)，重發(fā)計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)器大于2則轉(zhuǎn)向⑥；如果收到確認(rèn)包轉(zhuǎn)到⑦；
⑥設(shè)置發(fā)送失敗標(biāo)記，重發(fā)計(jì)數(shù)器清0，轉(zhuǎn)到②；
⑦設(shè)置發(fā)送成功標(biāo)記，重發(fā)計(jì)數(shù)器清0，轉(zhuǎn)到⑧；
⑧查看被詢問客戶機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，有則分配總線使用權(quán)和時(shí)間片，轉(zhuǎn)到⑨，否則轉(zhuǎn)到②；
⑨等待被詢問客戶機(jī)的發(fā)送結(jié)束數(shù)據(jù)包，如果收到轉(zhuǎn)到②。在一個(gè)時(shí)間片（1/384s）內(nèi)，沒有收到，視為超時(shí)。服務(wù)機(jī)收回總線使用權(quán)，轉(zhuǎn)到②。
（2）客戶機(jī)協(xié)議
①接收屬于本機(jī)的數(shù)據(jù)包；
②如果是詢問數(shù)據(jù)包，檢查本機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有，則發(fā)送"有數(shù)據(jù)發(fā)送信息"到服務(wù)機(jī)，并捎帶確認(rèn)轉(zhuǎn)到③，否則發(fā)送"沒有數(shù)據(jù)發(fā)送信息"到服務(wù)機(jī)，并捎帶確認(rèn)，轉(zhuǎn)到①；其它類型數(shù)據(jù)包不處理，轉(zhuǎn)到①；
③等待網(wǎng)絡(luò)資源分配數(shù)據(jù)包，收到則發(fā)送確認(rèn)包，轉(zhuǎn)到⑤；超時(shí)，停止等待轉(zhuǎn)到①；
④等待上一數(shù)據(jù)包的確認(rèn)，收到則轉(zhuǎn)到⑤，否則轉(zhuǎn)到⑦；
⑤檢查是否還有數(shù)據(jù)要發(fā)送，有則發(fā)送數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)到⑥；否則發(fā)送"結(jié)束發(fā)送信息"到服務(wù)機(jī)，轉(zhuǎn)到①。
⑥檢查是否超時(shí)，如果超時(shí)結(jié)束發(fā)送轉(zhuǎn)到①，否則轉(zhuǎn)到④。
⑦重發(fā)，是否超過兩次，是則當(dāng)前發(fā)送失敗，轉(zhuǎn)到⑤，否則轉(zhuǎn)到④。
因此，每發(fā)一數(shù)據(jù)包都會請求對方的確認(rèn)，如果沒有確認(rèn)，則會再重發(fā)一次，超過兩次則被視為對方不可達(dá)，發(fā)送失��；并且在被詢問客戶機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，如果總線空閑，服務(wù)機(jī)將分配其使用時(shí)間片，在這個(gè)時(shí)間片內(nèi)，如果數(shù)據(jù)未發(fā)送完成，服務(wù)機(jī)將強(qiáng)行收回。能發(fā)送完成，客戶機(jī)要發(fā)送結(jié)束數(shù)據(jù)包，歸還總線使用權(quán)。
3、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
選用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各站直接連在總線上，由服務(wù)機(jī)統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)總線，分配網(wǎng)絡(luò)資源。使用類似于令牌總線網(wǎng)的協(xié)議，由服務(wù)機(jī)輪詢每一客戶機(jī)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有分配發(fā)送時(shí)間，移交總線使用權(quán)，否則詢問下一客戶機(jī)；其中接口電路會將所接收到信號中繼，并轉(zhuǎn)發(fā)。因此網(wǎng)絡(luò)中任意一臺機(jī)器所發(fā)送的數(shù)據(jù)對其它機(jī)器都是可見的，并且在一定程度上保證了信號的可靠性。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

4、網(wǎng)絡(luò)接口電路的功能與設(shè)計(jì)
（1）網(wǎng)絡(luò)接口電路的功能
網(wǎng)絡(luò)接口電路完成的主要功能如下：①完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)元的接收；②對接收到的數(shù)據(jù)元轉(zhuǎn)發(fā)給其它端口；③多端口機(jī)制，端口間相互轉(zhuǎn)發(fā)；④提交收到的數(shù)據(jù)元；⑤中繼收到的數(shù)據(jù)元；⑥提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號；⑦各端口之間同構(gòu)，使用交叉線。
（2）網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)時(shí)一共采用了四片74HC245芯片，共同承擔(dān)數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，其中每一塊芯片對應(yīng)一個(gè)端口。在外表現(xiàn)為三個(gè)端口，這是因?yàn)橛幸粋€(gè)端口被本機(jī)占用，電路已布置在線路板上。各端口之間用交叉線連接，當(dāng)檢測到收線上有信號時(shí)，芯片開始啟動(dòng)工作，將信號分成三路中繼出來，一路發(fā)給單片機(jī)，其它兩種發(fā)給另外的兩個(gè)端口。在收方的收收線上如果檢測到同樣的信號，則進(jìn)行同樣的操作。當(dāng)單片機(jī)向外界發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就啟動(dòng)對應(yīng)于單片機(jī)收發(fā)端口上的芯片，將信號中繼后發(fā)送給另外的三個(gè)端口，并隨時(shí)檢測收線信號的變化，一旦檢測到電平信號由高倒低的變化一次，即說明有數(shù)據(jù)需要接收，接收完后將產(chǎn)生一中斷信號，啟動(dòng)處理程序進(jìn)行處理。
網(wǎng)絡(luò)接口電路中設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號BUS，當(dāng)各芯片都沒有工作時(shí)，表示網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)傳輸，這時(shí)BUS經(jīng)非門電路取反變成低電平，與單片機(jī)二號中斷引腳相連，單片機(jī)可以通過這一引腳撐握網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。
網(wǎng)絡(luò)接口電路中還設(shè)計(jì)了指標(biāo)信號，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)信號便置高，這時(shí)接在信號上的LED發(fā)光管將會發(fā)光，以表示收到數(shù)據(jù)。
5、客戶機(jī)與服務(wù)機(jī)電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中有客戶機(jī)和服務(wù)機(jī)兩種不同的電路。將客戶機(jī)電路和服務(wù)機(jī)電路整合在一個(gè)電路板上，即兩種電路用同一塊電路板表現(xiàn)出來。
對于客戶機(jī)，客戶不需要部門控制電路，但其需要編址，故需要地址獲取電路。
對于服務(wù)機(jī)，它不需要編址，統(tǒng)一固定為65這一地址，故不需要地址獲取這一部分電路。服務(wù)機(jī)擔(dān)負(fù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管與輪詢工作。
其它電路客戶機(jī)與服務(wù)機(jī)均同構(gòu)，所以不需要做任何修改。
電路板上，采取不插器件的方式實(shí)現(xiàn)兩種不同構(gòu)的電路在同一電路板上實(shí)現(xiàn)，大大地壓縮開發(fā)成本。
6、系統(tǒng)功能模塊圖
（1）系統(tǒng)功能：
服務(wù)器部分
① 完成網(wǎng)絡(luò)的輪詢，每隔一定時(shí)間向網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器發(fā)出詢問數(shù)據(jù)包。
② 讀取ADC數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前環(huán)境溫度
③ 控制一個(gè)調(diào)風(fēng)閥，顯示電機(jī)角度數(shù)據(jù)
④ 掃描鍵盤，提供按鍵控制
⑤ 從網(wǎng)絡(luò)中收集調(diào)風(fēng)閥信息，智能控制風(fēng)機(jī)的開啟
⑥ 控制本實(shí)驗(yàn)室照明電路的開、關(guān)
⑦ 能夠接管網(wǎng)絡(luò)中任意一臺客戶機(jī)
客戶機(jī)部分
① 接收服務(wù)機(jī)的輪詢，發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包
② 讀取ADC數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前環(huán)境溫度
③ 控制一個(gè)調(diào)風(fēng)閥，顯示電機(jī)角度數(shù)據(jù)
④ 掃描鍵盤，提供按鍵控制
⑤ 讀取本機(jī)地址
⑥ 接收來自服務(wù)器的管理操作
（2）功能劃分：
軟件系統(tǒng)采用模塊化的方式，每個(gè)設(shè)備編寫一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)其所控制的設(shè)備。并向其它程序提供接口，方便其它程序調(diào)用，控制設(shè)備。
各個(gè)驅(qū)動(dòng)功能劃分如下：
① 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序：驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)管顯示，按指定方式顯示數(shù)據(jù)。
② 鍵盤驅(qū)動(dòng)程序：動(dòng)態(tài)掃描鍵盤，判別按鍵，并避開電路毛刺。
③ 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)程序：驅(qū)動(dòng)蜂鳴器安指定方式發(fā)聲。
④ ADC驅(qū)動(dòng)程序：讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)值。
⑤ 串口驅(qū)動(dòng)程序：收發(fā)數(shù)據(jù)包，過濾非本機(jī)數(shù)據(jù)包
其中還有一個(gè)輪詢模塊，它在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下按一定間隔時(shí)間向網(wǎng)絡(luò)中各臺客戶機(jī)發(fā)送詢問數(shù)據(jù)包。如果兩次沒有收到回應(yīng)，則視發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗。并能夠向被接管的客戶機(jī)發(fā)送管理數(shù)據(jù)包。同樣也需要確認(rèn)，超過兩次則視為失敗。
系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

由圖可知，所有的驅(qū)動(dòng)程序都掛靠在時(shí)鐘中斷上，由時(shí)鐘中斷按一定的頻率調(diào)用這些驅(qū)動(dòng)程序。

7、小結(jié)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)控制和管理的控制系統(tǒng)。它將計(jì)算機(jī)機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行融合，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)參考計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的停止等待協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，但為了更好的適應(yīng)于單片機(jī)處理，優(yōu)化了數(shù)據(jù)包的格式和控制方式，大大提高了處理速度和效率。同時(shí)，引入幀檢測序列，提供數(shù)據(jù)包的檢測機(jī)制，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型，網(wǎng)絡(luò)接口電路采用端口轉(zhuǎn)發(fā)的形式，便于擴(kuò)展且提高了穩(wěn)定性。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能齊全可以通過服務(wù)器控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有客戶機(jī)，監(jiān)視所有客戶機(jī)運(yùn)行情況；系統(tǒng)操作簡單，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值。

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