PC機(jī)與單片機(jī)多機(jī)主從互通的實現(xiàn) - 全文

　　0 引言

　　PC 機(jī)與單片機(jī)組成的主從系統(tǒng)很常見，在很多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，PC 機(jī)與單片機(jī)之間一般采用串行通信方式，按照一定的格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令的交換，完成PC機(jī)對單片機(jī)的控制、數(shù)據(jù)前送，或者單片機(jī)上數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息的回送。

　　當(dāng)單片機(jī)數(shù)量較多時，比較容易實現(xiàn)PC 機(jī)對所有單片機(jī)的控制。一般在這種情況下，采用廣播的方式。

　　所有單片機(jī)都掛在一條串行數(shù)據(jù)總線上，只需對單片機(jī)進(jìn)行地址編碼，PC機(jī)將地址數(shù)據(jù)和控制報文進(jìn)行廣播，單片機(jī)接收廣播數(shù)據(jù)后進(jìn)行地址比對，篩選出所需的數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送。

　　如果PC 機(jī)要對單片機(jī)多機(jī)進(jìn)行廣播，并回傳所有單片機(jī)的信息，即單片機(jī)還要發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機(jī)，再加上單片機(jī)數(shù)量較多（大于100 個單片機(jī)），則要實現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)多機(jī)的互相通信，難度是比較大的。

　　本文提出了一種切實可行的方法，通過實際電路搭建和調(diào)試，實現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)多機(jī)的互相通信，達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)，使該系統(tǒng)具有如下功能：

　?。?）PC機(jī)可以對所有100多個單片機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)需要，發(fā)送不同控制字到達(dá)每個單片機(jī)；

　　（2）PC機(jī)對單片機(jī)的狀態(tài)修改是隨機(jī)的、沒有規(guī)律的；

　?。?）所有單片機(jī)將自身的一些狀態(tài)信息按照順序回傳至PC機(jī)。

　　1 互通信的幾種實現(xiàn)方法

　　PC 機(jī)至多個單片機(jī)的廣播比較簡單，難度較大的是多個單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至PC機(jī)。由于100多個單片機(jī)均掛在一個數(shù)據(jù)總線上，系統(tǒng)設(shè)計的難點就在于數(shù)據(jù)總線控制權(quán)的傳遞，絕對不能出現(xiàn)有2個或者2個以上設(shè)備同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計之初，考慮了兩種總線控制方式有接力式和點名式：

　?。?）接力式總線控制方式

　　這種控制方式的基本思路是：初始化后，所有單片機(jī)在接收完P(guān)C機(jī)數(shù)據(jù)后，處于串行接收狀態(tài)，不占用總線控制權(quán)。PC機(jī)發(fā)出回送開始指令，第1個單片機(jī)響應(yīng)該指令，并立即占有總線控制權(quán)，向總線上的PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，緊接著第1個單片機(jī)發(fā)送控制指令，通知第2個單片機(jī)，同時第1個單片機(jī)退出總線控制權(quán)，處于接收狀態(tài)；第2個單片機(jī)接收到第1個單片機(jī)的開始指令后，和前面第1個單片機(jī)一樣，開始向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，并在結(jié)束傳送之后通知第3個單片機(jī)，如此這般，不斷接力傳輸，輪流控制總線，直至最后一個單片機(jī)完成數(shù)據(jù)傳送。在單片機(jī)控制總線，進(jìn)行回傳的過程中，如果要通過PC機(jī)向某個或者某些單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)時，PC機(jī)軟件會自動將這些數(shù)據(jù)存儲下來，等到最后一個單片機(jī)接收向PC機(jī)送數(shù)據(jù)之后，PC機(jī)再占用數(shù)據(jù)總線，開始向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

　?。?）點名式總線控制方式

　　該控制方式與接力式控制方式大體相同，不同的是這種控制方式需要等待PC 機(jī)點名指令。系統(tǒng)初始化后，單片機(jī)接收PC機(jī)指令、數(shù)據(jù)之后，PC機(jī)發(fā)送點名指令，讓第1個單片機(jī)開始傳送數(shù)據(jù)，第1個單片機(jī)接收該指令后，立即占用總線，開始傳送數(shù)據(jù)，傳送結(jié)束后，發(fā)送結(jié)束指令至PC 機(jī)，PC 機(jī)在接收該結(jié)束指令后，立即占用總線，再發(fā)送點名指令，讓第2個單片機(jī)開始傳送數(shù)據(jù)，如此不斷動作，直至最后一個單片機(jī)結(jié)束傳送。

　　在單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)時，如果PC 機(jī)要送數(shù)據(jù)至單片機(jī)，可以在接收完某個單片機(jī)數(shù)據(jù)之后，暫停發(fā)送點名指令，直接發(fā)送數(shù)據(jù)至某個或者某些單片機(jī)。待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，繼續(xù)接上原先的中斷的點名順序號，繼續(xù)向后點名、傳送數(shù)據(jù)。綜合考慮這兩種總線控制方式，不難發(fā)現(xiàn)，由于沒有來回傳遞點名的指令時間開銷，接力式的傳輸效率會略高于點名式，所以，一開始還是采用了接力式的控制方式。

　　但是在進(jìn)行大的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，問題出現(xiàn)了。由于接力式脫離PC機(jī)的過程干預(yù)，一旦出現(xiàn)某個單片機(jī)程序跑飛、死機(jī)時，整個程序就沒法進(jìn)行下去，一直處于等待狀態(tài)，整個系統(tǒng)就癱瘓了。調(diào)試過程中出現(xiàn)過好幾次死機(jī)的情況。最后，不得不回頭修改總體方案，采用點名式的控制方式。如果中間某個單片機(jī)出現(xiàn)異常，沒有按照預(yù)定的程序回傳數(shù)據(jù)，則PC機(jī)就可以判斷該單片機(jī)死機(jī)，在經(jīng)歷過一段等待時間后，自行跳過該單片機(jī)，點名下一個單片機(jī)，繼續(xù)后續(xù)的回傳和程序。如果該故障單片機(jī)還在占用總線，影響下一個單片機(jī)的工作，則對單片機(jī)公用的復(fù)位端發(fā)送一個整體復(fù)位信號，讓所有單片機(jī)復(fù)位。經(jīng)過重新調(diào)整方案后，經(jīng)過長時間運行，均沒有出現(xiàn)整機(jī)死機(jī)的狀況，總體運行情況良好。另外，這種控制方式還有其他兩種控制方式所不具有的優(yōu)勢：

　　可以隨時打斷回傳，幾乎實時發(fā)送新的指令到某個或者某些單片機(jī)上，該功能是非常實用的。

　　2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

　　根據(jù)系統(tǒng)的總體要求，構(gòu)建了如圖1所示的硬件平臺。

　　整個系統(tǒng)采用RS 485 總線結(jié)構(gòu)，RS 485 為差分平衡數(shù)字通信方式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離數(shù)字通信。RS 485和RS 422A總線最大的區(qū)別是RS 485 可以單工雙向傳輸，而RS 422A 只能單向傳輸數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)由于存在大量單片機(jī)，如果使用RS 422A，電纜會增加一倍。另外，由于標(biāo)準(zhǔn)的RS 485鏈路只可以連接32個設(shè)備，故每個轉(zhuǎn)換器上要增加驅(qū)動器。目前PC 機(jī)上已經(jīng)很難找到串口了，故PC 機(jī)與RS 485 總線之間采用PL2303 芯片進(jìn)行橋接。PL2303為Prolific 公司產(chǎn)品，可以很方便地將USB 接口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)RS 232 電平，用戶根本不用關(guān)心復(fù)雜的USB 協(xié)議和規(guī)范，在PC端的軟件編程中，只需像標(biāo)準(zhǔn)com口一樣使用USB口，因為Prolific公司提供的驅(qū)動中，已經(jīng)將該USB 口模擬成了一個標(biāo)準(zhǔn)的com 口了。該芯片最高速度可以達(dá)到115 200 b/s，極大地方便了普通串行通信與PC機(jī)的連通。復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路也是一個單片機(jī)，不過該單片機(jī)只完成兩個功能。一個是就是接收RS 485 總線前的PC 機(jī)TXD（RS 232 端的TXD）發(fā)出信號，一旦出現(xiàn)PC機(jī)發(fā)出的全局復(fù)位串行代碼后，立即產(chǎn)生一個全局復(fù)位信號，將所有單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。該功能就是為了防止某個單片機(jī)出現(xiàn)故障，一直意外占用總線，導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。

　　為了實現(xiàn)RS 485 的半雙工通信，必須有一個方向切換控制信號，如圖2所示。在單片機(jī)端，這個控制信號很容易獲得，引出一個I/O腳，即可在單片機(jī)程序中控制該信號的切換；但是PC機(jī)端的RS 485的切換就相對比較麻煩，這也是復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路完成的另外一個重要功能：讀寫轉(zhuǎn)換。如果PC機(jī)要占用RS 485總線，則發(fā)送一個特定的串行碼，該專用單片機(jī)接收并響應(yīng)該串行碼，切換RS 485控制器，開始占用485總線并發(fā)送數(shù)據(jù)，如果PC機(jī)結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)，則要同時發(fā)送一個特定的串行碼，通知該專用單片機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的RS 485切換。單片機(jī)及其附屬電路組成了相關(guān)的功能電路。

　　主單片機(jī)采用了Silicon公司的8051F020型增強(qiáng)型單片機(jī)。該單片機(jī)最大的優(yōu)勢是內(nèi)部集成的模擬電路功能較為強(qiáng)大、單片機(jī)運行速度快、程序編寫-燒寫-仿真較為方便。

　　3 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

　　軟件分為3個部分：PC機(jī)上位機(jī)程序、單片機(jī)通用程序和專用單片機(jī)程序。專用單片機(jī)的程序運行在復(fù)位監(jiān)視與讀寫轉(zhuǎn)換電路中，該程序較為簡單，就是在上電后，一直按照約定的波特率和數(shù)據(jù)格式接收PC機(jī)送出的串行數(shù)據(jù)，若得到的數(shù)據(jù)符合約定的復(fù)位格式，則送出復(fù)位信號；若接收到的數(shù)據(jù)符合總線切換的格式，則送出相應(yīng)的切換信號。PC 機(jī)上位機(jī)程序比較復(fù)雜，可以根據(jù)用戶的實際需要，編寫相關(guān)的應(yīng)用程序。在本文中，采用Delphi編寫了應(yīng)用程序，實現(xiàn)了對單片機(jī)群的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)調(diào)整、信息反饋和系統(tǒng)控制。

　　單片機(jī)通用程序分別運行在100多個單片機(jī)上，是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。圖3為單片機(jī)程序流程圖。

　　單片機(jī)初始化后，接收PC機(jī)送來的初始指令，然后開始運行主程序，執(zhí)行單片機(jī)的主功能。同時開放串行接收中斷，一旦接收到PC機(jī)發(fā)來的指令，就進(jìn)行對比判斷，如果是PC 機(jī)對自己的點名，則響應(yīng)PC 機(jī)的回送指令，開始占用總線，向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)，結(jié)束后向PC機(jī)發(fā)送結(jié)束狀態(tài)字，結(jié)束占用總線，回到主程序，同時等待接收串行數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié)語

　　經(jīng)過大量試驗，課題組應(yīng)用點名式總線控制方式，成功解決了PC機(jī)與大量單片機(jī)的雙向互通問題，實現(xiàn)了100 多個單片機(jī)與主控PC 機(jī)之間的互通信，達(dá)到了設(shè)計要求。電路經(jīng)過長時間運行，實際情況表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控制靈活、可靠性高，采用的點名式總線控制方式具有很好的實用價值。