基于服務的AT89x51單片機的網絡體系架構

李　浩，吳建龍，李長艷

(1.首鋼工學院 機電工程系，北京 100144；2.北京佳點風向網絡科技有限公司，北京 100013)

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基于服務的AT89x51單片機的網絡體系架構

李浩1，吳建龍1，李長艷2

(1.首鋼工學院 機電工程系，北京 100144；2.北京佳點風向網絡科技有限公司，北京 100013)

詳細闡述利用AT89x51單片機異步串行口組成的主從式網絡系統和對等式網絡系統的特點、硬件構成、通信協議、軟件程序流程圖以及信道爭用的應對等，并通過軟件仿真驗證了系統設計的正確性。

AT89x51；網絡體系架構；主從式網絡；對等式網絡；令牌環

引用格式：李浩，吳建龍，李長艷. 基于服務的AT89x51單片機的網絡體系架構[J].微型機與應用，2016,35(16)：53-56，59.

0　引言

眾所周知，計算機網絡的類型可以從多個角度劃分,從地理位置上分為局域網、城域網和廣域網等；從傳輸介質上分為有線網、光纖網和無線網等；從拓撲結構上分為星型網絡、環形網絡、總線網絡等；從服務類型上分為主從式(C/S)網絡和對等式網絡。當然，隨著計算機網絡在各行各業應用越來越廣泛，關注點不同，也就出現了更多的分類方法，此處不再一一列舉。本文對基于51單片機構成的主從式網絡和對等式網絡的體系架構的設計與實現進行詳細闡述。

1　當前研究現狀及研究對象模型

圖1是本文項目的載體平臺，欲實現的功能是：3臺單片機均在00～99范圍內循環計數并顯示；每臺機器上都加裝有按鍵，且每次按下的計數值不一樣；每臺機器上的計數值不能在本臺機器控制的LED上顯示，需要通過總線網絡傳輸到其他機器上顯示。要實現這個功能，可以利用兩種網絡架構來實現，即主從式網絡和對等式網絡。通過查詢中國知網、萬方數據庫以及國內絕大多數的教科書和科技文獻可以發現：51單片機多機串口通信方面的內容大多限于主從式網絡，即使涉及了對等式網絡，這些論文中又將它們人為地分成了A組和B組，異組之間可以隨意通信，同組之間的單片機還是不能實現直接通信[1-3]，沒有徹底解決地位“平等”的問題。

圖1　研究對象

2　AT89x51/52單片機的串口通信資源

AT89x51/52單片機的異步串口由接收端RXD和發送端TXD兩個管腳組成。

完成一次傳輸的基本單位是一個字節，它是通過發送SBUF字節寄存器和接收SBUF字節寄存器來完成的。

串口控制寄存器SCON[4]的各位功能如表1所示。

表1　SCON控制字

異步串行通信方式下，該控制寄存器中，對實現多機通信起著關鍵作用的是SM2和TB8/SB8這3位。這3個控制位的具體工作機制(通信協議)如下。

(1)接收令牌(地址)幀信息，然后與本地站地址比對，如果相同，則可以進行以下步驟；如果不同，則不能往總線上發送信息。

(2)在傳輸信息以前，必須首先分別將3臺單片機的SM2都設置為1，表示發送機即將發送的地址幀信息，其余兩臺單片機都需要接收。

(3)發送機端需將TB8置位，表示本幀信息為地址幀。兩臺接收機接收到地址幀后立即與本機地址進行比對，如果相同，則將自己的SM2設置為0，該接收機能對接下來即將發送過來的數據幀產生接收中斷，即下一步通信不再是多方接收，而是雙機之間的一對一通信；如果不同，則該接收機仍然保持SM2的置位狀態，它對接下來發送的數據幀不會產生中斷信號RI，因此不予接收。

(4)發送機清零TB8，表示本幀信息為數據幀。只有SM2=0的接收機才能接收到本數據幀，本次數據傳輸結束，該接收機需將SM2置為1，為下一次接收地址幀作好準備。

(5)令牌字節的處理以及令牌的傳遞。

3　基于主從式網絡的系統實現

當多臺51單片機工作于多機主從通信模式下，通信各方之間就有主、從之分；若直接采用TTL電平進行互連，則主機與各臺從機之間的連接距離最好不要超過1 m[5]。主從式架構的網絡具有如下一些特點。

(1)該網絡體系中只能有一臺主機，可以有多臺從機；

(2)主機與從機都能自主地在網絡上發送信息；

(3)主機可以在網絡上進行一對多廣播或一對一單播；

(4)從機所發信息的接收對象只能是主機，如果從機之間必須要通信，則只能通過主機進行周轉，這樣就增加了主機的負擔。

圖2　基于主從式架構的網絡系統

3.1本系統的主從式網絡體系架構

基于主從式網絡的特點，本項目平臺硬件連接如圖2所示。本系統欲實現的功能有：主機的計數值送1號從機，主機的計數值加1后送2號從機；1號從機和2號從機的計數值分別送主機間隔3 s循環顯示。

圖3　主機程序流程圖

3.2系統的軟件流程圖

主機的程序流程圖如圖3所示，1、2號從機的程序流程圖如圖4所示。

主從式網絡架構下，主機在發送信息給某臺從機以前，先在網絡上廣播接收機的站地址，待目的站地址回送該地址幀(本文成為握手成功)后再與目的接收機一對一地進行通信。

主從式網絡架構下，從機先發送地址幀信息給主機(只有主機能接收)，主機不回送該地址幀，緊接著，發送數據幀給主機。主機間隔3 s輪流顯示兩臺從機發送過來的數據值。

圖4　從機程序流程圖

4　基于對等式網絡的系統實現

4.1對等式網絡的特點

對等式網絡中的終端在地位上完全相等，網絡終端均可以發送信息給網絡中其他任何一方，沒有任何限制。

4.2異步串行通信的數據格式

異步串行通信數據格式如圖5所示。

由其數據格式可以看出，網絡在空閑時，TXD和RXD網線上始終是高電平，它對構建51單片機之間的連接具有至關重要的作用。

4.3本系統的對等式網絡體系架構

基于對等式架構的網絡系統如圖6所示。

根據對等網的要求，每臺單片機的輸出信號都需要送到其他各臺單片機的輸入口。考慮到單片機的TXD端在空閑時始終處于高電平，因此，另外兩臺單片機的輸出端TXD的信號通過兩輸入的與門74LS08或CD4081的輸出連接到本機的RXD端，這樣就能有效地將該3臺單片機進行互連，此時，每臺單片機地位平等、沒有主次之分，任何一臺單片機都能將信息傳遞到任何其他的機器上。

本系統欲實現的功能有：1號機的計數值送2號機LED顯示，2號機的計數值送3號機LED顯示，3號機的計數值送1號機LED顯示。

圖5　異步串行通信數據格式

圖6　基于對等式架構的網絡系統

4.4系統的軟件流程圖

由于2、3號機的程序流程圖與1號機類同，予以省略。1號機的程序流程圖如圖7所示。

圖7　1號機程序流程圖

對等式網絡架構下，每臺機器在發送信息給其他某臺機器以前，先在網絡上廣播接收機的站地址，待目的站地址回送該地址幀(握手成功)后再與目的接收機進行一對一的通信。

5　信道爭用的應對

不論是主從式網絡系統還是對等式網絡系統，都存在多臺機器同時往總線上發送信息導致信息被破壞的情況，為了有效地克服這個重大的缺陷，本文采用令牌環的方式來加以規范和應對。

具體的工作機制如下。

(1)令牌的實質就是一個地址幀，它由一個字節的變量來表示，該字節表示當前時刻能往總線上發送數據的站地址，因此，構成該網絡的單片機總數可以達到256臺。

(2)所有連網的單片機構成一個令牌環網。

(3)每臺單片機每次死循環的最后一項任務就是在該令牌環網內廣播傳遞令牌。

(4)所有單片機接收到該令牌后，將令牌中的內容和本站地址作一比對，如果相同，則該站可以主動往總線上發送信息；若不相同，則不允許發送。

(5)除最大站地址外，本站在完成了網絡傳遞任務后，會將令牌幀內容加1并在網絡上廣播以傳遞令牌給下一站；而最大地址站則需將令牌幀的內容賦為最小站地址，表示下一次能占用網絡資源的站點地址。

因此，出現了第2節網絡協議的步驟(1)和(5)，同時在前述圖3、圖4以及圖7的流程圖中也已經包含了令牌環的傳遞和處理等功能。

需要特別指出的是，圖3主從式網絡中，由于從機之間不能互發信息，因此從機之間互發令牌幀的操作需要通過主機來周轉，由于篇幅限制，在流程圖中沒有詳細體現出來。

6　系統仿真與驗證

6.1主從式網絡系統仿真與驗證

硬件仿真原理圖[6]以及仿真結果如圖8所示。

6.2對等式網絡系統仿真與驗證

硬件仿真原理圖以及仿真結果如圖9所示。

7　結論

本文從服務分類的角度，對51單片機異步串口的網絡體系結構進行了詳細、全面的闡述。實踐證明上述原理和方法是可行的，但是出現了網絡利用率不高的缺陷，因此，提高總線的利用率是以后研究的重點。

圖8　主從式網絡系統仿真效果圖

圖9　對等式網絡系統仿真效果圖

[1] 虞耀君，王曉紅，張幼明.對等式令牌測控網絡的設計與實現[J].微計算機信息，2007,23(8-2):51-53.

[2] 吳德會,王曉紅.對等式測控網的設計與實現[J].計算機測量與控制，2005,13(7):627-630.

[3] 楊會成,卓芝強.單片機與PC機串行數據通信的工程實踐[J].微型機與應用，2003,22(5):22-25.

[4] 楊瑞良，李平，邱清，等.計算機網絡技術基礎[M].北京：北京大學出版社， 2008.

[5] 俞國亮.MCS-51單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

[6] 彭偉.單片機C語言程序設計實訓100例——基于8051+ Proteus仿真(第2版)[M].北京：電子工業出版社，2012.

李浩(1974-)，通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：電子系統設計、計算機控制系統、自動控制系統。E-mial:sggxylh@163.com。

Services-based network architectures about AT89x51 MCU

Li Hao1, Wu Jianlong1, Li Changyan2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shougang Institute of Technology, Beijing 100144, China;2.Jiadianfengxiang Network Technology Co.,Ltd., Beijing 100013,China)

AT89x51 MCU’s C/S network architecture and peer-to-peer network architecture are elaborated, including characters, hardware composition, communication protocol, the program flow chart, and the cope with channel contention of the MCUs. At the end, the correctness of the theories is tested through software.

AT89x51; network architecture; C/S architecture; peer-to-peer architecture; token ring

TP368.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.016

2016-03-17)