基于AVR單片機的檢測設備通訊系統設計

摘要：為了滿足某型測地儀的數據采集和故障檢測所要解決的通訊問題，提高檢測設備的數據傳輸的可靠性，采用AVR單片機作為主控制器，構建一個由單片機和被測單體組成的RS485現場總線測控系統。詳細介紹基于RS485總線的檢測設備通訊系統總體設計以及硬件實現，討論主從式通信協議設計方法和數據校驗算法，并給出軟件設計流程圖。本設計已在某型測地儀的檢測上調試通過，結果表明數據傳輸可靠、移植性好，同時大大降低研發成本。

關鍵詞：AVR單片機；RS485總線；校驗算法；通信協議

中圖分類號：TP914.3 文獻標識碼：A

1引言

在測控系統中，通常采用計算機作為上位機，單片機為下位機的分布式結構[1]，完成數據采集、測量、控制和管理等任務。這些系統因其使用靈活、性價比較高、功能較強，而在許多領域得到廣泛的應用。

隨著數字控制技術的發展，由單片機構成的測控系統也日益復雜。在一些要求響應速度快、實時性強、控制量多的應用場合，單個單片機構成的系統往往難以勝任[2]。這時，由多個單片機結合工控機組成分布式測控系統成為一個比較好的解決方案。在這些分布式測控系統中，如何更好地解決通訊問題顯得尤為重要。本文針對某型測地儀配套檢測設備的通訊系統設計部分進行闡述，構建一個由AVR單片機和工控機組成的RS485現場總線測控系統。

2需求分析

某型測地儀是一種集慣性技術、衛星技術、光電技術為一體的綜合性裝備，具有快速數據綜合、處理、傳輸能力，并能滿足測地作業各種計算的需要。由于測地儀由七個部分單體組成，每個單體又獨立系統，并且都有相對應的通信以及供電接口與外界相連，其系統連接關系如圖1所示。

從圖中可以看出，系統總體以控顯器為中心，協調各測量單體工作，并給各測量單體分配了唯一地址。系統總體開始作業時，控顯器會自動查找測量單體，以判斷是何種配置狀態，再進行相應控制作業。因此，測地儀的檢測設備設計思路是既扮演控顯器的角色向其他單體發送控制命令，使各單體工作，并采集數據，判斷工作狀況，又模擬各單體工作狀態向控顯器反饋信號。

3總體方案設計

針對測地儀各單體相對獨立，其通訊接口均是RS485的特點，檢測設備采用一個由工控機作為上位機，AVR單片機作為主控機，各單體上的單片機作為從機構成的RS485現場總線測控系統，整個測控系統的功能示意圖如圖2所示。

AVR單片機是檢測設備RS485現場總線測控系統的核心部分，它不僅要給測地儀各單體提供相應的激勵信號，采集反饋信號，判斷工作狀況，還接收工控機的控制命令，并將各單體數據上傳給工控機。AVR單片機通過RS232接口與工控機進行通訊，同時，通過RS485接口與測地儀7個單體進行通訊。

4系統硬件設計

4.1系統硬件電路

隨著現代測控技術的迅猛發展，以單片機為主的微機自動測控系統逐步取代了常規測量儀表。現有高性能、低功耗的8位AVR RISC單片機中，ATmega128是AVR系列中功能最強的單片機。該芯片還具有比較豐富的片上資源，其內部集成了128KB的Flash存儲器、4KB的E2PROM、53個可編程I/O口線、8路10位A/D轉換通道和兩個可編程的串行 USART[3]。用于本通訊系統設計時，既可以省去擴展程序存儲器和A/D轉換器，又可以滿足系統串行通信要求。以AVR單片機為核心設計的系統硬件電路，其原理框圖如圖3所示。

4.2串口通信電路

串口通信有多種工業標準，設計中采用的是RS232接口和RS485接口電平規范。通過RS232來完成AVR單片機與工控機之間的通訊，實際上只需要RXD，TXD和GND三根線即可。其中RXD為輸入引腳，用于接收數據，TXD為輸出引腳，用于發送數據。由于RS232標準采用負邏輯方式，標準邏輯1對應-5V～-15V，標準邏輯0對應+5V～+15V。為了與RS232的電壓相匹配，在單片機的I/O引腳和RS232連接器之間需要加電平轉換芯片。圖4為RS232接口原理圖。

圖5給出了RS485驅動電路原理，由于RS485的發送控制端僅在需要發送時打開，平時應關閉發送器，所以在由MAX485構成的半雙工式差分平衡通信網絡，多個接收器的使能控制信號485#C禁止的驅動器可以直接掛在傳輸線上而不會影響信號的正常傳輸。

5系統軟件設計

5.1通信協議設計

在軟件設計中，首先需要進行通信協議的設計。在單片機多機通信中，為了保證消息的正確發送和接收，主機和從機之間首先要規定通信的流程和具體的通信信息幀結構。主從機之間通信的流程即采用主從式結構[4]：數據通信總是由主機發起，若從機需要發送數據，則必須等到主機輪詢本地從機時，才可提出請求。這種網絡模式下從機不會“偵聽”其他從機對主機的響應，這樣就不會對其他從機產生錯誤的響應。

單片機的串口通訊均設置波特率9600，數據8位，停止位1位，無校驗位，數據幀長可變。幀結構由幀頭、數據包和校驗三分組成，如圖6所示。其中，幀頭由6個字節內容組成，包括包頭（第1字節）、發方地址（第2字節）、收方地址（第3字節）、命令字（第4字節）、數據長度字節（第5字節）以及幀頭校驗（第6字節）。包頭固定為AA，表示命令幀頭，可當同步碼；地址字節包括發方地址和收發地址，以01-06代表各單體的地址，0A代表工控機，0B代表下位機地址；命令字30，31……3F代表工控機向AVR單片機發送命令字單片機轉發給相應單體，完成測試，40，41……4F代表AVR單片機向工控機發送命令字，用于返回單體數據；數據長度N表示后面數據包數據長度，如果長度N為0時，該幀數據就只有幀頭，即表示單純的指令幀，幀數據長度為6個字節，如果不為0，則幀數據長度為N+6；第6個字節校驗是對幀頭前5個進行校驗和計算并隨數據幀一起發送，在接收端進行誤碼判斷。

5.2校驗算法

校驗編碼是差錯檢測技術的核心，常用的編碼技術有兩種：一是奇/偶校驗編碼，目前大多數帶通信的芯片都具有該功能，可以在發送時進行配置校驗編碼方式；二是循環冗余校驗編碼（Cycle Redundancy Check， CRC）[5]。CRC校驗采用多項式編碼方法。被處理的數據塊可以看作是一個n階的二進制多項式，多項式乘除法運算過程與普通代數多項式的乘除法相同。多項式的加減法運算以2為模，加減時不進、錯位，和邏輯異或運算一致。采用CRC校驗時，發送方和接收方用同一個生成多項式k（x），并且k（x）的首位和最后一位的系數必須為1。CRC的處理方法是：發送方以k（X）去除t（X），得到余數作為CRC校驗碼。校驗時，以計算的校正結果是否為0來判斷數據幀是否出錯。

CRC校驗可以100%地檢測出所有奇數個隨機錯誤和長度≤n（n為g（x）的階數）的突發錯誤。所以，CRC的生成多項式的階數越高，誤判的概率就越小。本文采用在數據的校驗方法上采用CRC256校驗，即將所有傳送字符的ASCII碼累加后除以255得到校驗碼。

5.3軟件設計流程

整個系統軟件分為工控機端和單片機端兩部分，單片機端軟件包括數據采集和串口通信程序，數據采集部分可設計成一個函數，在主程序中調用即可，AVR單片機串口通信部分軟件流程如圖7所示。以發送/接收中斷函數為例，其實現的功能是采用中斷的方式保存或發送一幀的數據，可以實現雙全工的數據傳輸。按照數據幀結構，中斷函數需要對0xAA開頭的數據進行處理，下面以接收中斷函數為例，程序流程如圖8所示：6結束語

本文基于AVR單片機設計一個RS485通訊系統以滿足測地儀的數據采集和故障檢測中的通信需求。在數據傳輸過程中，通信協議的制定和傳輸線狀態的穩定直接影響數據傳輸的可靠性。本設計已在某型測地儀的檢測上調試通過，結果表明數據傳輸可靠、移植性好，同時也大大降低研發成本。

參考文獻

[1]任偉，王艷. 主從分布式網絡監控系統的設計與實現[J]. 計算機測量與控制，2010，18（11）：2539-2541.

[2]劉海成. AVR單片機原理及測控工程應用——基于ATmega48/ATmega16[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]ATmega128[EB/OL]. www.atmel.com/literature.

[4]陳鐵軍，謝春萍. PC機與RS 485總線多機串行通信的軟硬件設計[J]. 現代電子技術，2007，5：103-105.

[5]張守尚. 串行通信校驗算法和傳送持續性的保證[C]. 上海市電氣工程設計研究會2009年學術年會論文集：154-156.