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1、第一章 绪论1.1数据通信基础本设计完成的是以微机为上位机，以AT89C51单片机为控制核心的下位机的主从式多机通信技术，基于分布式控制结构的多机通信网络，并能实时的动态显示通信数据。在微机测控技术领域，要构成一个较大规模的测控系统，都不可避免地要采用多机系统。由于微机与微机间的距离可能是近程的（几米之内），也可能是远程的（几百米甚至上千米），那么信息交换的方式可能采取并行通信，也可能采取串行通信。而一般的远程通信须采用串行通信方式，现在单片机及PC机在结构，性能和经济上为实现远程串行通信特别是多机系统提供了很好的条件。在实际工作中，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换，一台计算机与
2、其他计算机之间也往往要交换信息，所有这些信息交换均可称为数据通信。数据通信有两种方式，即并行数据通信和串行数据通信，通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式，本设计完成的是远程通信，所以采用串行通信的数据传送方式。串行通信有两种基本通信方式，即异步通信和同步通信，本设计选用异步通信。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的。 串行数据通信指数据是一位一位顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需一对传送线，这样大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信，其缺点是传送速度较低。1.2 串行通信的传送方式选择串行通信的传送方式通常有三种，一种为单向（或单工）配置，只允许数据向一个方向传送；另一种是半双向（或
3、半双工）配置，允许数据向两个方向中的任一方向传送，但每次只有一个站发送，第三种传送方式是全双向（全双工）配置，允许同时双向传送数据。本设计主要选择半双工配置传送数据。其图示为1-1所示。接收器发送器发送器接收器流据数甲站乙站图1-1半双工方式1.3通信协议的制定要想保证通讯成功，通讯双方必须有一系列的约定，即通讯协议，通讯双方必须遵从统一的通讯协议，在编程之前就应制定通信协议，并根据协议分别编制主、从站的通信程序。本文介绍的多机通信方法其通信协议可规定如下： 1. PC机与单片机都可发送和接收数据；其通信波特率均为9600bps；通信采用偶校验；2. 通信帧格式如图3所示，共11位：1位起始位
4、，8位数据位，1位奇偶校验位，1位停止位；3. 通信过程中，PC机为主动方（称为主站），各单片机为被动方（称为从站），各从站地址为00H25H；各从站初始化时均将SM2和寻址标志位清“0”；4. 主站发送的控制命令、从站发送的应答信息格式：(1). 主站给从站发送的控制命令格式：XXH (开始符) ，XXH（站号），XXH（控制命令），XXH（结束符）；(2). 从站对主站的控制命令的应答信息格式：XXH (开始符) ，XXH（站号），XXH（应答信息特征符：表示当前从站有无数据组可发送，若有数据组要马上传送，主站接收到本条响应后应立即准备接收数据，在此期间不需要再向从站发送其他命令），XXH
5、，XXH（这两字节是马上要发送的数据组的字节数），XXH（结束符）；从站延时一定时间后，立即发送下面的上网数据组：XXH(开始符)，XXH（站号），数据组（数据组各字节的意义由从站定义），XXH（结束符）；(3). 主站对从站发送的数据组的响应信息格式：XXH (开始符) ，XXH（站号），XXH（对接收到的数据组正确性检查的响应，接收数据出错，则要求从站重发），XXH（结束符）。 第二章 分布式多机通信网络的设计2.1分布式多机通信系统的硬件结构整个通信系统的结构设计为主从式串行总线型，由于PC机给出的是标准RS-232C电平，而AT89C51串行口给出的是TTL电平，为此在单片机89C51
6、的串行口TXD,RXD端加RS-232转RS-485转换模块，以实现TTL电平和RS-232电平的转换，再经MAX485进行远程串行通信的实现。硬件设计如图2-1所示。TDRD PCRS232/RS485转换模块MAX485MAX485MAX485TD RDTD RDTD RDAT89C51 (1)AT89C51 (2)AT89C51 (n)图2-1AT89C51与PC机通信电路由图2-1中可见，这里采用了三线制(这里地线没有画出)，现在由于高档PC机的串行口都有九针插座，因此采用RS-232标准时应注意9针插座中引线的对应关系如表2.1所示，在实际应用中应正确连接至接线口。表2.1 RS-2
7、32标准九脚对应关系3 2 7 8 6 5 1 4 9发送数据 接受数据请求发送允许发送 数据设备就绪信号地载波检测数据终端就绪 振铃指示九脚的脚号信号名称 缩写名TXD RXDRTSCTS DSR SGND DCD DTR RI PC机与单片机之间利用九针插座提供的信息采用了三线制连接，除3脚，2脚和地线要接至对方的设备外，九针插座中的7脚与8脚要短接，4与6脚也要短接，。2.2 RS-232/RS-485转换模块 RS-485 总线型远程测控系统已得到广泛应用，这主要因为 RS-485 总线具有传输距离远等特点。在传输速率为9600bit/s时传输距离可达1.2km以上，最高传输速率可达
8、10Mbit/s，且只用普通双绞线即可，同一对双绞线上可以挂接多至256个以上的终端。有许多工业测控模块都是采用 RS-485 总线型的，比如 Adam、Nudan 等，但价格较高。第三章 单片机的选型及硬件电路的设计3.1 AT89C51的概况3.1.1 单片机的介绍单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片
9、机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了1
10、6位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单
11、片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不
12、同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家
13、用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。3.2 AT89C51单片机的特殊管脚及功能3.2.1单片机的管脚如图3-1所示. AT89C51的管脚图单片机最常用的是40引脚双列直插式集成电路芯片，如图3-1所示，由于单片机是一个芯片，本身体积小，为增加其功能，许多管脚有两个功
14、能。本设计主要用了单片机的P3.0和P3.1的第二功能,P3.0的第二功能RXD串行口输入端和P3.1TXD串行口输出端，以及其他的八位I/O口数据输入端。4k 字节FLASH 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个I/O 口线，2 个16 位定时/计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。如图3-2所示，同时，AT89C51 降至0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。空闲方式体制CPU 的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复
15、位。Vcc：电源电压GND：地P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电
16、平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash 编程和程序校验期间，P1 接受低8 位地址。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16 位四肢的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2 口送出高8 位地址数据，在访问8 位地址的外部数据存
17、储器（例如执行MOVX RI 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash 编程和程序校验时，P2 也接收高位地址和其他控制信号。P3 口：P3 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST
18、 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC 指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外
19、部程序时，应设置ALE 无效。PSEN：程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通型号，当89C51 由外部存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN 信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA 端状态。如EA 端为高电平（接Vcc 端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件使
20、用12v 编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图5。外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对电容C1、C2 虽没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30Pf10 Pf，而如使用陶
21、瓷谐振器建议选择40Pf10Pf。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端XTAL2 则悬空。掉电模式：在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。推出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM 中的内容，在Vcc 恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。89C51 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字符，要对整个芯片的EPROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方法将整个存储器的内容清楚。3.3 51单片机的特点可靠性高：因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。便于扩展：片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。控制功能强：具有丰富的控制指令：如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。实用性好：体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。