基于RS485总线的单片机对等网络的设计与实现

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    摘　要：讨论了一个基于RS485总线的单片机对等网络，并用C51语言实现该网络。与常用的主从式单片机网络相比，对等网络具有数据吞吐量大、节点与节点间可直接通信的优点，因此，对要求通信量大或节点间需要频繁通信的场合特别适用。
    关键词：RS485总线；对等网络；tdMA；CSMA／CD

1　引　言
　　随着自动控制技术的应用和发展，控制系统越来越复杂。单片机的应用系统已从单机逐渐向多机联网的方向发展，如：数据采集、消防、门禁、消费等控制系统，这就需要单片机之间或单片机与微机之间组成网络以进行相互通信。现有的各种总线产品，如基金总线（FF）、LonWorks总线、ProfiBus总线、HART总线及CAN总线等，虽然各有特色，但由于其兼容性差、造价高、维护不便等方面的原因，未能得到普遍应用。
　　RS485总线作为一种简易、廉价的通信技术，其收发器采用平衡驱动和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。RS485接收器灵敏度可达±200 mV，因而大大提高了通信距离。在100 kb／s速率下电缆长度可达1 200 m，如果通信距离缩短，最大速率更可达10 Mb／s。RS485总线上允许带多个驱动器和接收器，最新的收发器可带128个节点，用于构建多点通信网络。由于RS485总线具有设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的特点，故在工程中得到了广泛应用。
　　通常在RS485总线产品的应用中，都采用主从控制方式，即由1台微机或1台单片机作为主机，其余的作为从机。主机和从机之间可以直接进行通信，从机之间要进行通信时必须通过主机。通信方式则由主机采取轮询的方式对各从机进行查询。这种方式使软件的设计大为简化，但也带来很多弊端。
　　（1）由于采取主机轮询方式进行通信，因此，通信的吞吐量较低，不适用于通信量要求较大，或平均通信量较低，但呈突发式的场合，如：消费系统、考勤系统等。
　　（2）由于采取主机轮询方式进行通信，因此，系统较大时，实时性较差。
　　（3）由于采取主机轮询方式进行通信，主机在不停地查询各从机，每个从机都必须对主机的查询作出响应，以决定是否对该机进行通信，这样，势必增加各从机的系统开销。
　　（4）当从机之间需要进行通信时，必须通过主机，增加了从机间通信的难度。
　　针对主从式网络的这些缺点，本文提出一种采用RS485总线的单片机对等网络的设计方法。在这种网络中，各节点（单片机）之间没有主从之分，是完全吞吐量大而且灵活。最后给出了该网络的C51语言实现方法。

2　网络原理
　　在主从式网络中，信道由主机进行控制，不存在竞争信道的问题。在对等式网络中则不同，由于每个节点均可根据自己的需要随时发送信息，必然会竞争使用信道，因此，如何合理分配信道的使用权就成为对等式网络的关键问题。与计算机网络［1］类似，解决信道分配问题可采用静态分配方案和动态分配方案。在静态分配方案中，时分多路复用tdMA（TimeDivision Multiple Access）是常用的方法，在tdMA中，时间被均分为N段时隙，每个节点静态的占用一个。如果每个节点都能充分利用自己的时隙发送数据，该方案是十分灵活而高效的。
　　然而，实际中有些节点数据很多，时隙不够用，而有些节点数据却很少，不能充分利用分配给他的时隙而使这段时间被闲置。因此，信道静态分配方案不能有效地处理通信的突发性。在动态分配方案中，带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA／CD（carrier sensemultiple access with collision detection）协议是常用的方法。
　　该协议中，当一个节点要发送数据时，他首先侦听信道，看是否有其他节点正在发送。若没有其他节点在发送，他就开始发送，否则，等待一个随机的时间后，重复上述过程。当2个节点侦听到信道空闲并同时开始传送时，必然会产生冲突，此时，他们几乎将同时检测到冲突，一旦检测到冲突，不是继续传完他们的帧，而是尽快停止，这样既节省了时间又节省了频带。在等待一个随机的时间后，重新开始上述的发送过程。
　　CSMA／CD能有效地解决通信的突发性。在负载较低时，欲发送数据的节点能立即发送，负载较重时，也可保证通信的稳定，本文中将采用该协议来实现网络通信。

3　硬件电路设计
　　实现CSMA／CD协议的关键是载波侦听和冲突检测。这就要求每个节点能够接收所有节点传送过来的数据，包括他自己。
　　在RS485总线组成的网络中，由于单片机串口为TTL电平，需要通过485专用收发芯片，完成电平转换及数据收发。这里选用较常用的 SN75176。该芯片内将3态差分线驱动器和差分输入线接收器结合在一起。驱动器和接收器分别具有高电平有效和低电平有效使能端，如图1所示。在主从式网络中，一般将驱动器和接收器的使能端连接在一起以便起方向控制的作用，使收发器工作于半双工状态。在这里收发器必须工作于全双工状态，以便节点能接收到自己发出的信息。因此，将接收器的使能端接低电平，而驱动器的使能端则由单片机的IO口控制，平时为低电平，释放总线，要发送数据时则转换为高电平。这样构成的单片机对等网络如图2所示。






4　软件实现
　　本文采用Franklin C51来实现CSMA／CD网络协议。用C语言来编写单片机目标系统软件可缩短开发周期，增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大，性能更完备的系统［2］。
　　系统中设置定时器0作为延时计时器，他有两组延时参数。一组用于侦听网络是否空闲。每次接收中断时，给定时器0重装延时参数，并设置网络忙标志。该参数的值应保证在正常的数据发送时，定时器不会溢出。这样，若有节点正在发送数据，定时器0将被反复重装，并设置网络忙标志。若所有节点停止发送数据，定时器将溢出，此时，停止计时并清除网络忙标志，表示网络空闲。发送程序检测到该标志，即可开始发送数据。发送程序每发送1 B数据时，将该数据存入一个临时变量中。此时，接收程序同时也会接收到一个数据，将接收到的数据与临时变量中的数据进行比较，若相等，表示数据发送成功，否则，表示发生冲突，此时立即停止发送，并给定时器0设置一个随机延时值，延时结束后重复上述过程。实现以上算法的C51程序如下［3］：
　


　


　


　


　


　


　


5　结　语
　　本文设计了一个基于RS485总线的单片机对等网络，并用C51语言实现了该网络。与常用的主从式的单片机网络相比，对等网络具有数据吞吐量大、节点与节点间可直接通信的特点，因此，特别适合通信量大、通信呈突发式或节点间通信频繁的场合。该网络已在门禁系统中实际应用。实践表明，该方法是十分有效而灵活的。


参考文献

［1］AndrewS．Tanenbaum计算机网络［M］．第3版．北京：清华大学出版社，1998．
［2］马忠梅．单片机的C语言应用程序设计［M］．修订版．北京：北京航空航天出版社，1999．
［3］KeilC51使用技巧及实践［DB］．http：／／www．zlgmcu．com．
         
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