远程终端中通信控制卡的设计与实现
日期：2010-8-10 23:26:50 点击：
来源：中国工控网
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摘要：介绍了一种多台单片机与ＰＣ机通信的方法，给出了通过一块通信控制卡来实现与多台单片机的实时通信，并将数据上传给上位机以提高通信可靠性和效率的设计方法，同时给出了该通信控制卡的硬件接口电路和软件设计框图。
关键词：单片机；智能模块；串口通信
１ 概述
ＰＣ机与多台单片机构成小型的分布式测控系统已在工业控制、生产管理中得到了广泛的应用。在这类应用系统中，ＰＣ机多作为上位机通过直接查询来控制各从机。由于ＰＣ机本身还要进行动态数据显示、数据库实时录入、越限报警、报表打印等任务，因此，当从机数目过多时，上位机频繁地响应从机的中断，并在一定时间内等待和接收数据这极大地影响了ＰＣ机的工作效率。为了提高上位机的工作效率，笔者在ＰＣ机与各个智能模块间增加了一块用ＡＴ８９Ｃ５１作为微控制器的通信控制卡。整个系统构成一个３级分级控制系统，通信控制卡位于中间层，它是系统控制、管理的中枢。
２ 通信控制卡硬件电路
在本系统中，通信控制卡采用查询方式对下位机的各智能模块进行查询，该智能模块由ＡＴ８９Ｃ５１控制的电量、温度、液位、开关量采集板构成，它们分别可独立完成各自的数据采集和处理任务。当处于被查询状态时，系统可采用中断方式与通信卡进行通信。通信卡依次为人机完成各种数据处理任务提供各种数据和控制命令，然后把它们统一打包上传给上位机，从而使上位机可以对其进行显示、加工和处理，并形成各种报表。
该系统的硬件接口电路如图１所示。其中控制卡的核心芯片是ＡＴ８９Ｃ５１，它利用本身自带的串口与各智能模块间通过多机通信方式３进行总线式多机通信。为了同时能与ＰＣ进行通信，另一端通过８２５１Ａ的扩展串口与ＰＣ相连。即要求８２５１Ａ芯片的接收数据线ＲＸＤ（脚３）及发送数据线ＴＸＤ（脚１９）通过ＭＡＸ２３２与ＰＣ相连这是因为电平转换器８２５１Ａ的输入、输出均为ＴＴＬ电平，而通过电平转换器可将ＴＴＬ电平转换成ＲＳ２３２Ｃ标准电平以便与ＰＣ进行通信。
８２５１Ａ芯片的时钟输入线ＣＬＫ可为其提供定时信号。在异步方式时，ＣＬＫ的频率至少应大于８２５１Ａ内接收器或发送器输入频率的４．５倍。其引脚ＲＸＣ（脚２５）为接收器时钟，它的作用是控制字符的发送速率，其时钟可使用８２５３产生的合适时钟频率。在异步方式中，引脚ＲＸＣ和ＴＸＣ（即接收、发送时钟）为波特率的１６倍。该控制卡中扩展的８ｋＢ ＲＡＭ可分别开辟４个不同的存储电量采集板的数据，处理时可以将它们一起送到ＰＣ。
３ 软件系统设计
３．１ 通信协议
通信控制卡的ＡＴ８９Ｃ５１串口与各智能模块的通信按自定义的通信协议进行。过程如下：
（１）首先使所有从机ＳＭ２位置１，以使其处于只接收地址帧的状态。
（２）控制卡先发一地址信息，其中８位为地址，第９位为地址／数据信息的标志位，该位为１表示该帧为地址信息。
（３）从机接收到地址帧后，会将其接收的地址与本从机的地址相比较。对于地址相符的从机，可置ＳＭ２＝０，以接收主机随后发来的所有信息；而对于地址不相符的从机，则置ＳＭ２＝１，以继续执行采集任务和其它任务。
（４）当从机发送数据结束后，会发送一帧校验和，并将第９位（ＴＢ８）置为１,以作为从机数据传送结束标志。
（５）控制卡接受数据时，先判断数据结束标志（ＲＢ８），若ＲＢ８＝１，且校验正确，则回送正确信号００Ｈ，此信号可令该从机复位以重新采集数据，等待地址帧。若校验和出错，则送０ＦＦＨ，以令该机重发数据，如果重发５次还不行，则认为失败，并转入其它地址。若接收帧的ＲＢ８＝０，则将原数据锁定到缓冲区，并准备接收下帧信息。
（６）从机接收到复位命令后，再回到监听地址状态（ＳＭ２＝１）。
３．２ 程序框图
设主机发送的地址信号０１Ｈ、０２Ｈ、０３Ｈ为从机设备地址，地址ＦＦＨ是命令各从机恢复ＳＭ２为１的状态信号，即复位。从机的命令编码为：
０１Ｈ—请求从机接收通信卡的数据命令；
０２Ｈ—请求从机向通信控制卡发送数据；其它均按从机向通信卡发数据处理。
从机的状态字节格式如图２所示。其中ＴＲＤＹ为１表示从机已准备好接收通信卡的数据（见图２中Ｄ１位）；ＲＲＤＹ为１表示从机准备好向通信卡发送数据（见图２中Ｄ０位）；而ＥＲＲ＝１则表示从机接收到的命令是错误的（图２中Ｄ７位）。
该通信控制卡与各智能模块均采用１２ＭＨｚ晶振，它们之间的波特率为４８００ｂｐｓ，采用定时器Ｔ１的工作方式２，这样，当ＴＬ１计满时，ＴＨ１将自动送数给ＴＬ１。当波特率为４８００ｂｐｓ时，ＴＨ１＝ＴＬ１＝０ｘｆ３。而通信卡与ＰＣ间的波特率为９６００ｂｐｓ，故可用产生的脉冲８分频后送到８２５３。８２５３工作在方式３，它产生的周期性方波送给８２５１Ａ的ＴＸＣ、ＲＸＣ，可作为波特率发生器。用Ｃ５１实现的通信卡和从机的程序流程图如图３和如图４所示。该通信卡采用查询方式，从机采用中断方式进行相互通信，并采用校验方式进行数据校验，然后将数据打包，上传给上位ＰＣ。
本设计已用于铁路调度监督系统远程终端单元中的控制信息采集板和开关量采集板，以及铁路微机联锁系统中的上位机控制和模拟屏动态实时显示等方面。整个系统实际运行良好，可靠性高，系统性能得到很大的改善。
［摘要］：介绍了一种多台单片机与ＰＣ机通信的方法，给出了通过一块通信控制卡来实现与多台单片机的实时通信，并将数据上传给上位机以提高通信可靠性和效率的设计方法，同时给出了该通信控制卡的硬件接口电路和软件设计框图。
［关键词］：单片机 智能模块 串口通信
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摘要：介绍了一种多台单片机与ＰＣ机通信的方法，给出了通过一块通信控制卡来实现与多台单片机的实时通信，并将数据上传给上位机以提高通信可靠性和效率的设计方法，同时给出了该通信控制卡的硬件接口电路和软件设计框图。
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关键词：单片机；智能模块；串口通信
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１ 概述
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ＰＣ机与多台单片机构成小型的分布式测控系统已在工业控制、生产管理中得到了广泛的应用。在这类应用系统中，ＰＣ机多作为上位机通过直接查询来控制各从机。由于ＰＣ机本身还要进行动态数据显示、数据库实时录入、越限报警、报表打印等任务，因此，当从机数目过多时，上位机频繁地响应从机的中断，并在一定时间内等待和接收数据这极大地影响了ＰＣ机的工作效率。为了提高上位机的工作效率，笔者在ＰＣ机与各个智能模块间增加了一块用ＡＴ８９Ｃ５１作为微控制器的通信控制卡。整个系统构成一个３级分级控制系统，通信控制卡位于中间层，它是系统控制、管理的中枢。
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２ 通信控制卡硬件电路
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在本系统中，通信控制卡采用查询方式对下位机的各智能模块进行查询，该智能模块由ＡＴ８９Ｃ５１控制的电量、温度、液位、开关量采集板构成，它们分别可独立完成各自的数据采集和处理任务。当处于被查询状态时，系统可采用中断方式与通信卡进行通信。通信卡依次为人机完成各种数据处理任务提供各种数据和控制命令，然后把它们统一打包上传给上位机，从而使上位机可以对其进行显示、加工和处理，并形成各种报表。
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该系统的硬件接口电路如图１所示。其中控制卡的核心芯片是ＡＴ８９Ｃ５１，它利用本身自带的串口与各智能模块间通过多机通信方式３进行总线式多机通信。为了同时能与ＰＣ进行通信，另一端通过８２５１Ａ的扩展串口与ＰＣ相连。即要求８２５１Ａ芯片的接收数据线ＲＸＤ（脚３）及发送数据线ＴＸＤ（脚１９）通过ＭＡＸ２３２与ＰＣ相连这是因为电平转换器８２５１Ａ的输入、输出均为ＴＴＬ电平，而通过电平转换器可将ＴＴＬ电平转换成ＲＳ２３２Ｃ标准电平以便与ＰＣ进行通信。
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８２５１Ａ芯片的时钟输入线ＣＬＫ可为其提供定时信号。在异步方式时，ＣＬＫ的频率至少应大于８２５１Ａ内接收器或发送器输入频率的４．５倍。其引脚ＲＸＣ（脚２５）为接收器时钟，它的作用是控制字符的发送速率，其时钟可使用８２５３产生的合适时钟频率。在异步方式中，引脚ＲＸＣ和ＴＸＣ（即接收、发送时钟）为波特率的１６倍。该控制卡中扩展的８ｋＢ ＲＡＭ可分别开辟４个不同的存储电量采集板的数据，处理时可以将它们一起送到ＰＣ。
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３．１ 通信协议
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（１）首先使所有从机ＳＭ２位置１，以使其处于只接收地址帧的状态。
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（２）控制卡先发一地址信息，其中８位为地址，第９位为地址／数据信息的标志位，该位为１表示该帧为地址信息。
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（３）从机接收到地址帧后，会将其接收的地址与本从机的地址相比较。对于地址相符的从机，可置ＳＭ２＝０，以接收主机随后发来的所有信息；而对于地址不相符的从机，则置ＳＭ２＝１，以继续执行采集任务和其它任务。
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（４）当从机发送数据结束后，会发送一帧校验和，并将第９位（ＴＢ８）置为１,以作为从机数据传送结束标志。
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（５）控制卡接受数据时，先判断数据结束标志（ＲＢ８），若ＲＢ８＝１，且校验正确，则回送正确信号００Ｈ，此信号可令该从机复位以重新采集数据，等待地址帧。若校验和出错，则送０ＦＦＨ，以令该机重发数据，如果重发５次还不行，则认为失败，并转入其它地址。若接收帧的ＲＢ８＝０，则将原数据锁定到缓冲区，并准备接收下帧信息。
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（６）从机接收到复位命令后，再回到监听地址状态（ＳＭ２＝１）。
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３．２ 程序框图
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０１Ｈ—请求从机接收通信卡的数据命令；
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０２Ｈ—请求从机向通信控制卡发送数据；其它均按从机向通信卡发数据处理。
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从机的状态字节格式如图２所示。其中ＴＲＤＹ为１表示从机已准备好接收通信卡的数据（见图２中Ｄ１位）；ＲＲＤＹ为１表示从机准备好向通信卡发送数据（见图２中Ｄ０位）；而ＥＲＲ＝１则表示从机接收到的命令是错误的（图２中Ｄ７位）。
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该通信控制卡与各智能模块均采用１２ＭＨｚ晶振，它们之间的波特率为４８００ｂｐｓ，采用定时器Ｔ１的工作方式２，这样，当ＴＬ１计满时，ＴＨ１将自动送数给ＴＬ１。当波特率为４８００ｂｐｓ时，ＴＨ１＝ＴＬ１＝０ｘｆ３。而通信卡与ＰＣ间的波特率为９６００ｂｐｓ，故可用产生的脉冲８分频后送到８２５３。８２５３工作在方式３，它产生的周期性方波送给８２５１Ａ的ＴＸＣ、ＲＸＣ，可作为波特率发生器。用Ｃ５１实现的通信卡和从机的程序流程图如图３和如图４所示。该通信卡采用查询方式，从机采用中断方式进行相互通信，并采用校验方式进行数据校验，然后将数据打包，上传给上位ＰＣ。
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