PC机与单片机多机主从互通的实现

admin

0引言
       
        PC机与单片机组成的主从系统很常见，在很多领域中都得到了应用。在这些系统中，PC机与单片机之间一般采用串行通信方式，按照一定的格式，进行数据、指令的交换，完成PC机对单片机的控制、数据前送，或者单片机上数据、状态等信息的回送。
       
        当单片机数量较多时，比较容易实现PC机对所有单片机的控制。一般在这种情况下，采用广播的方式。
       
        所有单片机都挂在一条串行数据总线上，只需对单片机进行地址编码，PC机将地址数据和控制报文进行广播，单片机接收广播数据后进行地址比对，筛选出所需的数据，完成相应的数据传送。
       
        如果PC机要对单片机多机进行广播，并回传所有单片机的信息，即单片机还要发送数据至PC机，再加上单片机数量较多（大于100个单片机），则要实现PC机与单片机多机的互相通信，难度是比较大的。
       
        本文提出了一种切实可行的方法，通过实际电路搭建和调试，实现了PC机与单片机多机的互相通信，达到了预定的目标，使该系统具有如下功能：
       
        （1）PC机可以对所有100多个单片机进行控制，根据需要，发送不同控制字到达每个单片机；
       
        （2）PC机对单片机的状态修改是随机的、没有规律的；
       
        （3）所有单片机将自身的一些状态信息按照顺序回传至PC机。
       
        1互通信的几种实现方法
       
        PC机至多个单片机的广播比较简单，难度较大的是多个单片机发送数据至PC机。由于100多个单片机均挂在一个数据总线上，系统设计的难点就在于数据总线控制权的传递，绝对不能出现有2个或者2个以上设备同时向总线上发送数据。系统设计之初，考虑了两种总线控制方式有接力式和点名式：
       
        （1）接力式总线控制方式
       
        这种控制方式的基本思路是：初始化后，所有单片机在接收完PC机数据后，处于串行接收状态，不占用总线控制权。PC机发出回送开始指令，第1个单片机响应该指令，并立即占有总线控制权，向总线上的PC机发送数据，数据发送完成后，紧接着第1个单片机发送控制指令，通知第2个单片机，同时第1个单片机退出总线控制权，处于接收状态；第2个单片机接收到第1个单片机的开始指令后，和前面第1个单片机一样，开始向总线上发送数据，并在结束传送之后通知第3个单片机，如此这般，不断接力传输，轮流控制总线，直至最后一个单片机完成数据传送。在单片机控制总线，进行回传的过程中，如果要通过PC机向某个或者某些单片机传送数据时，PC机软件会自动将这些数据存储下来，等到最后一个单片机接收向PC机送数据之后，PC机再占用数据总线，开始向单片机传送数据。
       
        （2）点名式总线控制方式
       
        该控制方式与接力式控制方式大体相同，不同的是这种控制方式需要等待PC机点名指令。系统初始化后，单片机接收PC机指令、数据之后，PC机发送点名指令，让第1个单片机开始传送数据，第1个单片机接收该指令后，立即占用总线，开始传送数据，传送结束后，发送结束指令至PC机，PC机在接收该结束指令后，立即占用总线，再发送点名指令，让第2个单片机开始传送数据，如此不断动作，直至最后一个单片机结束传送。
       
        在单片机传送数据时，如果PC机要送数据至单片机，可以在接收完某个单片机数据之后，暂停发送点名指令，直接发送数据至某个或者某些单片机。待数据发送完成后，继续接上原先的中断的点名顺序号，继续向后点名、传送数据。综合考虑这两种总线控制方式，不难发现，由于没有来回传递点名的指令时间开销，接力式的传输效率会略高于点名式，所以，一开始还是采用了接力式的控制方式。
       
        但是在进行大的系统联调时，问题出现了。由于接力式脱离PC机的过程干预，一旦出现某个单片机程序跑飞、死机时，整个程序就没法进行下去，一直处于等待状态，整个系统就瘫痪了。调试过程中出现过好几次死机的情况。最后，不得不回头修改总体方案，采用点名式的控制方式。如果中间某个单片机出现异常，没有按照预定的程序回传数据，则PC机就可以判断该单片机死机，在经历过一段等待时间后，自行跳过该单片机，点名下一个单片机，继续后续的回传和程序。如果该故障单片机还在占用总线，影响下一个单片机的工作，则对单片机公用的复位端发送一个整体复位信号，让所有单片机复位。经过重新调整方案后，经过长时间运行，均没有出现整机死机的状况，总体运行情况良好。另外，这种控制方式还有其他两种控制方式所不具有的优势：
       
        可以随时打断回传，几乎实时发送新的指令到某个或者某些单片机上，该功能是非常实用的。
        2系统的硬件构成
       
        根据系统的总体要求，构建了如图1所示的硬件平台。
       
        整个系统采用RS485总线结构，RS485为差分平衡数字通信方式，具有较强的抗干扰能力，广泛应用于远距离数字通信。RS485和RS422A总线最大的区别是RS485可以单工双向传输，而RS422A只能单向传输数据，在本系统由于存在大量单片机，如果使用RS422A，电缆会增加一倍。另外，由于标准的RS485链路只可以连接32个设备，故每个转换器上要增加驱动器。目前PC机上已经很难找到串口了，故PC机与RS485总线之间采用PL2303芯片进行桥接。PL2303为Prolific公司产品，可以很方便地将USB接口转换成标准RS232电平，用户根本不用关心复杂的USB协议和规范，在PC端的软件编程中，只需像标准com口一样使用USB口，因为Prolific公司提供的驱动中，已经将该USB口模拟成了一个标准的com口了。该芯片最高速度可以达到115200b/s，极大地方便了普通串行通信与PC机的连通。复位监视与读写转换电路也是一个单片机，不过该单片机只完成两个功能。一个是就是接收RS485总线前的PC机TXD（RS232端的TXD）发出信号，一旦出现PC机发出的全局复位串行代码后，立即产生一个全局复位信号，将所有单片机进行复位。该功能就是为了防止某个单片机出现故障，一直意外占用总线，导致整个系统瘫痪。
       
       
       
        为了实现RS485的半双工通信，必须有一个方向切换控制信号，如图2所示。在单片机端，这个控制信号很容易获得，引出一个I/O脚，即可在单片机程序中控制该信号的切换；但是PC机端的RS485的切换就相对比较麻烦，这也是复位监视与读写转换电路完成的另外一个重要功能：读写转换。如果PC机要占用RS485总线，则发送一个特定的串行码，该专用单片机接收并响应该串行码，切换RS485控制器，开始占用485总线并发送数据，如果PC机结束发送数据，则要同时发送一个特定的串行码，通知该专用单片机，进行相应的RS485切换。单片机及其附属电路组成了相关的功能电路。
       
       
       
        主单片机采用了Silicon公司的8051F020型增强型单片机。该单片机最大的优势是内部集成的模拟电路功能较为强大、单片机运行速度快、程序编写-烧写-仿真较为方便。
       
        3系统的软件构成
       
        软件分为3个部分：PC机上位机程序、单片机通用程序和专用单片机程序。专用单片机的程序运行在复位监视与读写转换电路中，该程序较为简单，就是在上电后，一直按照约定的波特率和数据格式接收PC机送出的串行数据，若得到的数据符合约定的复位格式，则送出复位信号；若接收到的数据符合总线切换的格式，则送出相应的切换信号。PC机上位机程序比较复杂，可以根据用户的实际需要，编写相关的应用程序。在本文中，采用Delphi编写了应用程序，实现了对单片机群的参数设置、状态调整、信息反馈和系统控制。
       
        单片机通用程序分别运行在100多个单片机上，是实现系统功能的基础。图3为单片机程序流程图。
       
       
       
        单片机初始化后，接收PC机送来的初始指令，然后开始运行主程序，执行单片机的主功能。同时开放串行接收中断，一旦接收到PC机发来的指令，就进行对比判断，如果是PC机对自己的点名，则响应PC机的回送指令，开始占用总线，向PC机传送数据，结束后向PC机发送结束状态字，结束占用总线，回到主程序，同时等待接收串行数据。
       
        4结语
       
        经过大量试验，课题组应用点名式总线控制方式，成功解决了PC机与大量单片机的双向互通问题，实现了100多个单片机与主控PC机之间的互通信，达到了设计要求。电路经过长时间运行，实际情况表明，该系统运行稳定、控制灵活、可靠性高，采用的点名式总线控制方式具有很好的实用价值。