PC機(jī)與多MCS－51單片機(jī)間的串行通信設(shè)計(jì)

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

1　引　言
　　在測(cè)控系統(tǒng)和工程應(yīng)用中，常遇到多項(xiàng)任務(wù)需同時(shí)執(zhí)行的情況，因而主從式多機(jī)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(jī)和MCS－51單片機(jī)組成。單片機(jī)功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便，尤其具有全雙工串行通訊的特點(diǎn)，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(shí)，IBM－PC機(jī)正好補(bǔ)充單片機(jī)人機(jī)對(duì)話和外圍設(shè)備薄弱的缺陷。各單片機(jī)獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集處理和控制任務(wù)，同時(shí)通過(guò)通信接口將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，PC機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示或打印，把各種控制命令傳給單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)集中管理和最優(yōu)控制。
　　故IBM－PC機(jī)（上位機(jī)）與各MCS－51單片機(jī)（下位機(jī)）之間的通信顯得尤其重要。本文主要探討它們之間的遠(yuǎn)距離串行通信接口和軟件程序設(shè)計(jì)。
2　硬件設(shè)計(jì)接口
　　RS－232－C串行通信接口是美國(guó)電氣工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）與BELL公司等一起開(kāi)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(jì)算機(jī)中被廣泛采用。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了21個(gè)信號(hào)和25個(gè)引腳，但在智能儀器與計(jì)算機(jī)之間的通信中常用2個(gè)信號(hào)及3個(gè)引腳（2腳數(shù)據(jù)輸入，3腳數(shù)據(jù)輸出，7腳信號(hào)地）。它采用雙極性的負(fù)邏輯信號(hào)，0邏輯信號(hào)為＋3V至12V，1邏輯信號(hào)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(hào)反相等，所以它有自己的電平轉(zhuǎn)換與驅(qū)動(dòng)芯片，如MC1488（發(fā)送）與MC1489（接受）。IBM－PC機(jī)有兩個(gè)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(jī)的串行通信是由TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）和RXD（接收數(shù)據(jù)）來(lái)進(jìn)行全雙工通信的，它們的電平是TTL電平，為了PC機(jī)與MCS－51機(jī)之間能可靠地進(jìn)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?yàn)樗陨韼в须娫措妷鹤儞Q器，可以把＋5V電源變換成RS－232輸出電平所需的±10V電壓，能實(shí)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(lái)了較好的性能和低廉的價(jià)格。MAX232的接口電路圖如圖2所示。

　　PC機(jī)采用可編程串行異步通信控制器8251A來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)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(jī)的通信方式一致，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信。MCS－51和8251A的連接圖見(jiàn)圖3。

　　由于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)中用了兩片MAX485芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，還采用了兩級(jí)光電隔離來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。單片機(jī)和PC機(jī)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(jì)
3．1　主從式多機(jī)通信原理
　　MCS－51用于多機(jī)通信時(shí)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(jī)系統(tǒng)中為奇偶校驗(yàn)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(jī)通信中區(qū)分?jǐn)?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(jī)系統(tǒng)中有以下協(xié)議：所有的各從機(jī)均處于聽(tīng)命狀態(tài)，即SM2＝1，以便接收主機(jī)發(fā)來(lái)的地址，當(dāng)接收到一幀信息的RB8為“1”時(shí)，表示主機(jī)發(fā)送來(lái)的是地址信息，所有的從機(jī)均發(fā)生接收中斷，否則中斷屏蔽。當(dāng)一從機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，把接收到的地址和本機(jī)的地址比較，如果相符合就令其SM2＝0，并向主機(jī)發(fā)回本機(jī)地址以作應(yīng)答，該從機(jī)就與主機(jī)聯(lián)通，準(zhǔn)備接收主機(jī)發(fā)來(lái)的命令或數(shù)據(jù)信息，而其他的未被尋址從機(jī)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(jī)才能接收到主機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，順利實(shí)現(xiàn)地址幀和數(shù)據(jù)幀的分離。被尋址從機(jī)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(jī)通信協(xié)議
　　要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)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(yàn)位，并且要建立雙方通信的應(yīng)答信號(hào)。
　　單片機(jī)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(lái)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(jī)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(shí)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(jì)數(shù)初值為0E8H（SMOD＝0，時(shí)鐘頻率Fosc為11．059MHz）。
　　PC機(jī)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(yàn)、幀校驗(yàn)、溢出校驗(yàn)三種方式?？赏ㄟ^(guò)對(duì)它寫(xiě)入一定的方式控制字、命令控制字從而進(jìn)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(jī)和從機(jī)遵循主從原則，主機(jī)用呼叫方式選擇從機(jī)，數(shù)據(jù)在主機(jī)和從機(jī)之間雙向傳遞，各從機(jī)之間的相互通信需通過(guò)主機(jī)作為中介；（4）主從機(jī)之間還應(yīng)傳送一些供它們識(shí)別的命令和狀態(tài)字，如以00H表示主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收命令，以01H表示從機(jī)發(fā)送主機(jī)接收命令等。
3．3　通信程序設(shè)計(jì)思路及其實(shí)現(xiàn)
　　程序主要包括主機(jī)程序（由主機(jī)主程序和通信子程序組成）、從機(jī)主程序和其中斷服務(wù)程序組成。主機(jī)程序主要完成對(duì)8251A的初始化以及主機(jī)與從機(jī)之間的通信，主機(jī)程序框圖見(jiàn)圖5。而從機(jī)主程序主要完成對(duì)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(lái)完成MCS－51單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信。從機(jī)中斷服務(wù)程序框圖見(jiàn)圖6。

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