PC機與單片機多機主從互通的實現

摘 要： 為了實現PC機與多個單片機的互相通信，特別是多個單片機都需要向PC機傳輸數據時，課題組采用“點名式”的總線控制方式。單片機在得到PC機發送的“點名”指令后，開始控制總線，向PC機傳輸數據。傳輸數據結束后，通知PC機并退出總線控制，PC機再逐個往后發送“點名”指令。根據這種思路，搭建了相應的電路，經過不斷的實驗、調試和改進，構建的系統工作穩定、可靠。“點名式”的多機互通方式非常適合于需要多單片機向PC機傳送數據的場合，具有較高的實用價值。

關鍵詞： 點名式； PC機； 互通； RS 485總線

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0057?03

0 引 言

PC機與單片機組成的主從系統很常見，在很多領域中都得到了應用。在這些系統中，PC機與單片機之間一般采用串行通信方式，按照一定的格式，進行數據、指令的交換，完成PC機對單片機的控制、數據前送，或者單片機上數據、狀態等信息的回送。

當單片機數量較多時，比較容易實現PC機對所有單片機的控制。一般在這種情況下，采用廣播的方式。所有單片機都掛在一條串行數據總線上，只需對單片機進行地址編碼，PC機將地址數據和控制報文進行廣播，單片機接收廣播數據后進行地址比對，篩選出所需的數據，完成相應的數據傳送。

如果PC機要對單片機多機進行廣播，并回傳所有單片機的信息，即單片機還要發送數據至PC機，再加上單片機數量較多（大于100個單片機），則要實現PC機與單片機多機的互相通信，難度是比較大的。

本文提出了一種切實可行的方法，通過實際電路搭建和調試，實現了PC機與單片機多機的互相通信，達到了預定的目標，使該系統具有如下功能：

（1）PC機可以對所有100多個單片機進行控制，根據需要，發送不同控制字到達每個單片機；

（2）PC機對單片機的狀態修改是隨機的、沒有規律的；

（3）所有單片機將自身的一些狀態信息按照順序回傳至PC機。

1 互通信的幾種實現方法

PC機至多個單片機的廣播比較簡單，難度較大的是多個單片機發送數據至PC機。由于100多個單片機均掛在一個數據總線上，系統設計的難點就在于數據總線控制權的傳遞，絕對不能出現有2個或者2個以上設備同時向總線上發送數據。系統設計之初，考慮了兩種總線控制方式有接力式和點名式：

（1）接力式總線控制方式

這種控制方式的基本思路是：初始化后，所有單片機在接收完PC機數據后，處于串行接收狀態，不占用總線控制權。PC機發出回送開始指令，第1個單片機響應該指令，并立即占有總線控制權，向總線上的PC機發送數據，數據發送完成后，緊接著第1個單片機發送控制指令，通知第2個單片機，同時第1個單片機退出總線控制權，處于接收狀態；第2個單片機接收到第1個單片機的開始指令后，和前面第1個單片機一樣，開始向總線上發送數據，并在結束傳送之后通知第3個單片機，如此這般，不斷接力傳輸，輪流控制總線，直至最后一個單片機完成數據傳送。在單片機控制總線，進行回傳的過程中，如果要通過PC機向某個或者某些單片機傳送數據時，PC機軟件會自動將這些數據存儲下來，等到最后一個單片機接收向PC機送數據之后，PC機再占用數據總線，開始向單片機傳送數據。

（2）點名式總線控制方式

該控制方式與接力式控制方式大體相同，不同的是這種控制方式需要等待PC機點名指令。系統初始化后，單片機接收PC機指令、數據之后，PC機發送點名指令，讓第1個單片機開始傳送數據，第1個單片機接收該指令后，立即占用總線，開始傳送數據，傳送結束后，發送結束指令至PC機，PC機在接收該結束指令后，立即占用總線，再發送點名指令，讓第2個單片機開始傳送數據，如此不斷動作，直至最后一個單片機結束傳送。

在單片機傳送數據時，如果PC機要送數據至單片機，可以在接收完某個單片機數據之后，暫停發送點名指令，直接發送數據至某個或者某些單片機。待數據發送完成后，繼續接上原先的中斷的點名順序號，繼續向后點名、傳送數據。綜合考慮這兩種總線控制方式，不難發現，由于沒有來回傳遞點名的指令時間開銷，接力式的傳輸效率會略高于點名式，所以，一開始還是采用了接力式的控制方式。

但是在進行大的系統聯調時，問題出現了。由于接力式脫離PC機的過程干預，一旦出現某個單片機程序跑飛、死機時，整個程序就沒法進行下去，一直處于等待狀態，整個系統就癱瘓了。調試過程中出現過好幾次死機的情況。最后，不得不回頭修改總體方案，采用點名式的控制方式。如果中間某個單片機出現異常，沒有按照預定的程序回傳數據，則PC機就可以判斷該單片機死機，在經歷過一段等待時間后，自行跳過該單片機，點名下一個單片機，繼續后續的回傳和程序。如果該故障單片機還在占用總線，影響下一個單片機的工作，則對單片機公用的復位端發送一個整體復位信號，讓所有單片機復位。經過重新調整方案后，經過長時間運行，均沒有出現整機死機的狀況，總體運行情況良好。另外，這種控制方式還有其他兩種控制方式所不具有的優勢：可以隨時打斷回傳，幾乎實時發送新的指令到某個或者某些單片機上，該功能是非常實用的。

2 系統的硬件構成

根據系統的總體要求，構建了如圖1所示的硬件平臺。

整個系統采用RS 485總線結構，RS 485為差分平衡數字通信方式，具有較強的抗干擾能力，廣泛應用于遠距離數字通信。RS 485和RS 422A總線最大的區別是RS 485可以單工雙向傳輸，而RS 422A只能單向傳輸數據，在本系統由于存在大量單片機，如果使用RS 422A，電纜會增加一倍。另外，由于標準的RS 485鏈路只可以連接32個設備[6]，故每個轉換器上要增加驅動器。目前PC機上已經很難找到串口了，故PC機與RS 485總線之間采用PL2303芯片進行橋接。PL2303為Prolific公司產品，可以很方便地將USB接口轉換成標準RS 232電平，用戶根本不用關心復雜的USB協議和規范，在PC端的軟件編程中，只需像標準com口一樣使用USB口，因為Prolific公司提供的驅動中，已經將該USB口模擬成了一個標準的com口了。該芯片最高速度可以達到115 200 b/s，極大地方便了普通串行通信與PC機的連通。復位監視與讀寫轉換電路也是一個單片機，不過該單片機只完成兩個功能。一個是就是接收RS 485總線前的PC機TXD（RS 232端的TXD）發出信號，一旦出現PC機發出的全局復位串行代碼后，立即產生一個全局復位信號，將所有單片機進行復位。該功能就是為了防止某個單片機出現故障，一直意外占用總線，導致整個系統癱瘓。

為了實現RS 485的半雙工通信，必須有一個方向切換控制信號，如圖2所示。在單片機端，這個控制信號很容易獲得，引出一個I/O腳，即可在單片機程序中控制該信號的切換；但是PC機端的RS 485的切換就相對比較麻煩，這也是復位監視與讀寫轉換電路完成的另外一個重要功能：讀寫轉換。如果PC機要占用RS 485總線，則發送一個特定的串行碼，該專用單片機接收并響應該串行碼，切換RS 485控制器，開始占用485總線并發送數據，如果PC機結束發送數據，則要同時發送一個特定的串行碼，通知該專用單片機，進行相應的RS 485切換。單片機及其附屬電路組成了相關的功能電路。主單片機采用了Silicon公司的8051F020型增強型單片機。該單片機最大的優勢是內部集成的模擬電路功能較為強大、單片機運行速度快、程序編寫?燒寫?仿真較為方便[1]。

3 系統的軟件構成

軟件分為3個部分：PC機上位機程序、單片機通用程序和專用單片機程序。專用單片機的程序運行在復位監視與讀寫轉換電路中，該程序較為簡單，就是在上電后，一直按照約定的波特率和數據格式接收PC機送出的串行數據，若得到的數據符合約定的復位格式，則送出復位信號；若接收到的數據符合總線切換的格式，則送出相應的切換信號。PC機上位機程序比較復雜，可以根據用戶的實際需要，編寫相關的應用程序。在本文中，采用Delphi編寫了應用程序，實現了對單片機群的參數設置、狀態調整、信息反饋和系統控制。

單片機通用程序分別運行在100多個單片機上，是實現系統功能的基礎。圖3為單片機程序流程圖。

單片機初始化后，接收PC機送來的初始指令，然后開始運行主程序，執行單片機的主功能。同時開放串行接收中斷，一旦接收到PC機發來的指令，就進行對比判斷，如果是PC機對自己的點名，則響應PC機的回送指令，開始占用總線，向PC機傳送數據，結束后向PC機發送結束狀態字，結束占用總線，回到主程序，同時等待接收串行數據。

4 結 語

經過大量試驗，課題組應用點名式總線控制方式，成功解決了PC機與大量單片機的雙向互通問題，實現了100多個單片機與主控PC機之間的互通信，達到了設計要求。電路經過長時間運行，實際情況表明，該系統運行穩定、控制靈活、可靠性高，采用的點名式總線控制方式具有很好的實用價值。

參考文獻

[1] 陳德金.基于8051F020的數據采集分析系統[J].中國測試，2003，35（2）：57?60.

[2] 謝平，陳學煌.單片機多機串行通信的設計[J].甘肅科技，2006，22（9）：48?49.

[3] 桑勝舉.基于RS 422總線的單片機多機通信接口的設計與實現[J].泰山學院學報，2008，30（6）：5?10.

[4] 胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].2版.北京：清華大學出版社，2004.

[5] 張鵬華.報警系統中PC機與單片機的主從控制方案[J].邵陽學院學報，2004（1）：31?33.

[6] 馬東.基于RS485總線的溫濕度在線檢測系統[J].中國農機化學報，2013，34（2）：121?126.

[7] 郝濤.基于RS485主從串口通信協議的設計[J].裝備制造技術，2013，23（3）：38?40.

[8] 王澤華，吳慶洪.RS 485總線在集中抄表中的應用[J].科技創新與應用，2013（2）：40?41.

[9] 姜延濤，劉鑫淼，毛慶國.基于C8051F020的溫度傳感器系統設計與實現[J].科教文匯，2012（15）：73?74.

[10] 孫軍黃.基于C8051F020的電站參數記錄儀設計[J].電子技術應用，2012，38（11）：153?156.