單片機多機通信系統(tǒng)的性能特點及應(yīng)用

概述

單片機在當(dāng)今的儀表及工業(yè)測控設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛。其功能強大、外圍接口電路簡單，在構(gòu)成分布式系統(tǒng)時，其優(yōu)越性更顯突出。在分布式系統(tǒng)中，分機常采用多機通信方式，由于RS-485（以下簡稱485）通信接口的傳輸距離遠，連線少，所以被認為是一種很好的通信模式。然而，在實際應(yīng)用過程中，若使用不當(dāng)，485接口會出現(xiàn)很多問題：首先是器件經(jīng)常損壞，有時對電源進行幾次連續(xù)的開關(guān)機操作之后，通信電路就會失控；再有，在通信過程中，數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常出現(xiàn)誤碼，而且誤碼率很高。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，有兩次記錄可以證明這一點，記錄如表1所列。

表1 調(diào)試記錄

一、 硬件分析

首先分析通信電路失控的原因。系統(tǒng)在上電復(fù)位階段，所有485芯片都處于輸出狀態(tài)，而且只有其中某一臺分機發(fā)出數(shù)據(jù)。以這臺分機輸出口的狀態(tài)為例進行分析，如圖1所示。A、B為485接口的兩只引腳，圖1（a）中的A1“An為高電平，B1”Bn為低電平；而A為低電平，B為高電平，其中一個分支的等效電路如圖1（b）所示。由于每個出口電路的電阻取值相同，都取22Ω，則C點電位接近An點電位。分機數(shù)量越大，兩點電位就越接近。485芯片為差動輸出方式，同時有拉電流和灌電流存在，電流I=U/R。由于電流I的存在，使485的差動輸出端各有0.3V的電壓降。485芯片由輸出口造成的功率損耗為

P=2IU0=2（U/R）×0.3=0.6U/R。

U=5-0.3×2=4.4V

R=22Ω

I=U/R=4.4V/22Ω=0.2A

P=0.6×0.2=0.12W=120mW

圖1

由于功耗P與485芯片的耗散功率接近，所以485芯片經(jīng)常有損壞的現(xiàn)象。為了解決這個問題，只有降低485芯片的功率損耗。由功耗P的計算公式可知，由于電壓一定，只有增大R值，才能減小功耗P。又因為在正常狀態(tài)下，485芯片的接收端處于差動輸入狀態(tài)，這時，起發(fā)送作用的485芯片的輸出端除了導(dǎo)線的分布電容，再無其它負載，而在485芯片輸出相位切換時刻，可將分布電容看作是AB線短路，則I=U/（2R）。從工程應(yīng)用的實踐經(jīng)驗中得出，20mA電流環(huán)，可使通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

由I=U/（2R）得

R=U/2I=4.4/（20×2）=0.11kΩ=110Ω

在實際應(yīng)用中，R選用100Ω電阻，經(jīng)過這樣處理之后， 485芯片再也沒有出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。

以上分析是針對主、分機采用同一電源的對于各自獨立電源供電的通信網(wǎng)絡(luò)，485輸出口的狀態(tài)最后仍然等效成如圖1（b）所示電路。

在主機通信口由輸出轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)時，分機還沒有接管通信總線，這時通信線處于懸浮狀態(tài)，極易拾取噪聲。分機與主機采用同組電源時，其噪聲幅度與信號幅度接近，如圖2（a）所示；當(dāng)分機采用各自獨立電源時，其噪聲幅度大于2倍信號幅度，如圖2（b）所示。

圖2

二、 通信協(xié)議的影響

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，每組數(shù)據(jù)都包含著特殊的意義，這就是通信協(xié)議。主、分機之間必須要有協(xié)議，這個協(xié)議是以通信數(shù)據(jù)的正確性為前提的，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否又完全決定于傳輸途徑，即傳輸線。也就是說保證傳輸線狀態(tài)穩(wěn)定與通信協(xié)議有直接聯(lián)系。

在主從式通信系統(tǒng)中，把數(shù)據(jù)傳輸過程劃分成幾個階段來分析，如圖（3）所示。在圖3a中，t0“t1為主機向分機發(fā)送命令時間。在t1時刻，主機將差動輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換成輸入狀態(tài)。在圖3（b）中，t2之后的時間為分機向主機傳送數(shù)據(jù)階段，分機由輸入狀態(tài)變成輸出狀態(tài)。由于單片機多機通信大多采用異步串行方式，所以發(fā)送數(shù)據(jù)后的TI置位和接收機RI的置位時間有一段時間差，而且接收機在轉(zhuǎn)換到輸出狀態(tài)前要有一段圖3圖4數(shù)據(jù)處理時間，這兩段時間加起來不可忽視。在圖3（c）中，t1”t2即為這段時間，這時串行通信總線處于懸浮狀態(tài)，極易拾取空間干擾信號，這時主機與另外的分機可能會同時得到一個無規(guī)則的數(shù)據(jù)，對分機而言可能是錯誤指令，造成錯誤反應(yīng)。為此，在通信協(xié)議中加入延時階段，來解決此問題。如圖4所示：在圖4（a）中，t1“t3為延時階段；在圖4（b）中t2”t4為分機的延時階段；圖4（c）中，t1“t2為分機的反應(yīng)時間。延時時間T的大小可按分機接到主機命令后的最長反應(yīng)時間的2倍來計算。

延時階段的作用可用圖4（c）來分析。在圖4（c）中，主機控制數(shù)據(jù)總線的時間由t1延長到t3，分機的反應(yīng)時刻為t2，但分機有效數(shù)據(jù)從延時后的t4時刻開始，這樣在通信總線上有主機和某臺分機同時控制的一段時間即t2”t3的時間段。由于主機和分機對總線控制的方向相同，所以不會對這兩臺機器的硬件造成影響，而且在t1“t2階段，總線一直處于低阻狀態(tài)，不會產(chǎn)生噪聲，所以總線的抗干擾能力也加強了，提高了通信的穩(wěn)定性。

三、 通信協(xié)議框圖

通信協(xié)議實現(xiàn)的流程圖如圖5所示。

圖5

結(jié)束語

多機通信系統(tǒng)通信穩(wěn)定性還與各個分機的狀態(tài)有關(guān)。無論是軟件還是硬件，一旦某臺分機出現(xiàn)問題，都可能造成整個系統(tǒng)混亂。故障出現(xiàn)時，有兩種可能現(xiàn)象發(fā)生：其一是故障分機的485口被固定為輸出狀態(tài)，通信總線硬件電路被鉗位，信號無法傳輸；其二是故障分機的485口被固定為輸入狀態(tài)，在主機呼叫該號分機時，通信線路仍然有懸浮狀態(tài)，還會出現(xiàn)噪聲信號。所以，在系統(tǒng)使用過程中，注意對整個系統(tǒng)的維護，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法已在錦州消防安全儀器總廠的產(chǎn)品JB-TGZ4L-2000型消防報警控制器中得到應(yīng)用。

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