PC机与多台单片机实时通信系统的设计与实现

1、PC机与多台单片机实时通信系统的设计与实现集散控制系统(DCS)又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型技术。在现代化工业过程控制系统中，集散控制系统已成为过程自动化系统发展的主流。然而，在工业控制领域，控制系统除了要求具有极高的可靠性外，还必须具有较强的实时响应能力和友好的人机交互界面。1 引言本系统主要通过PC机与多台单片机构成小型集散控制系统来进行通信，既充分利用PC机丰富的软硬件资源实现友好的人机界面，又通过RS-232C/485总线结构与8251单片机进行通信，对多台单片机进行数据采集和处理。2 控制系统硬件电路设计本系统在电路

2、形式上比较简单，其原理框图如图1所示。 2.1 通信控制器电路分析与设计通信控制器的主要作用是完成主机和从机之间的通信。控制器的核心是一台AT89S51单片机，它仅具有一个可编程的全双工串行通信接口，而作为通信控制器需要同时与主机(PC机)和从机进行串行通信，因此就利用单片机的并行数据接口实现串口的扩展，这里选择了8251作为单片机的串口扩展芯片。8251是用于串行数据通信的USA RT(通信同步/异步收发器)，它可以从单片机接收并行数据转换为串行数据发送出去，也可以从外部接收串行数据转换为并行数据传送至单片机。并且8251仅占用2个外部数据空间地址单元，对它的读、写访问如同访问外部RAM一样

3、方便，、信号均由单片机提供，需要设计的只有片选信号。此外，8251提供的RXRDY和TXRDY引脚可以用来触发单片机的外部中断，通知单片机8251可以进行新数据的发送或已经接收到新的数据。根据8251的特性设计的单片机串口扩展电路如图2所示。图2 基于8251的单片机串口扩展电路从图2可以看出，8251的指令/数据选择引脚接到了单片机的地址线A0，这样可以通过2个不同的地址来区分对8251的命令写、数据写或状态读、数据读。进一步分析可以发现8251的片选引脚与单片机地址线A15通过反相器后的相连，使得8251在外部数据空间8000HFFFFH之间32KB的范围内可以随意选择地址，这里选择800

4、0H(访问数据)和8001H(访问指令/状态)两个地址。8251的RXRDY引脚通过一个非门后连接至单片机的引脚，当8251从主机接收到数据时就会引起单片机中断。MC14060用于为8251提供时钟信号，其中包括用于产生8251内部的时钟CLK、用于决定发送数据传输速率的时钟和用于决定接收数据传输速率的时钟。CLK连接到MC14060的OUT2输出引脚，和同时连接到MC14060的Q5输出引脚。MC14060的时钟输入频率为2.4576MHz，则OUT2引脚输出的频率为2.4576MHz，Q5引脚输出的频率为2.4576MHz/25=76.8kHz。那么8251发送数据的时钟和接收数据的时钟均

5、为76.8kHz，通过单片机编程将8251的数据传输速率因子设置为1/16，则8251的串口发送和接收数据的波特率为76800/16=4800bit/s。控制器与主机的通信是通过8251来实现的，8251带有一个全双工的串口，但它的串行数据接口并不是RS-232C标准串口，必须通过外接RS-232收发器芯片才能与主机的串口连接起来通信，这里选择的RS-232收发器芯片是MAXIM公司的MAX232C。MAX232C包含两个发送器和两个接收器，这里只需使用其中任意一组发送器和接收器即可。由于控制器与从机之间的通信是多点的串行通信，所以选择了MAXIM公司的MAX485芯片来实现控制器与从机之间的

6、多机通信系统。因为信号在传输线上传送时，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象从而影响信号的远距离传输，所以必须采用匹配的办法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般在110130之间，它与线的绝缘材料的厚度及导线的直径有关，所以通常在RS-485总线末端接入120的电阻是为了对通信线路进行阻抗匹配。由于MAX485为半双工通信方式，不能同时发送和接收数据，只能通过控制和DE引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。这里将MAX485的和DE引脚连在一起接到单片机的P10口，通过单片机的P10口来控制MAX485发送数据和接收数据的转换，当P10为低电平时MAX485处于接收数据状态，而当P10为高电

7、平时MAX485则处于发送数据状态。MAX485的RO引脚接到单片机的串口接收引脚RXD，MAX485的DI引脚接到单片机的串口发送引脚TXD。在通信速率要求不是很高的情况下，RS-485总线的通信距离可以达到1200m，这样就可以通过多台单片机来构建一个远程多机通信系统。2.2 从机部分硬件电路分析与设计 在本系统中，从机主要完成信号采集与显示输出。这里采用A/D转换芯片ADC0804完成模拟信号的采集。基于ADC0804所设计的A/D采集电路采用阻容元件来搭建ADC0804的时钟电路。电阻R=10k，电容=150p，经计算，时钟频率电位器RP1用于提供ADC0804的参考电压，调整电位器，

8、使ADC0804的Vref/2引脚的电压为2.56V。电位器RP2用于提供ADC0804的输入电压，调整RP2即可使输入电压在05V内变化。将ADC0804的引脚接到单片机的引脚，即每次ADC0804转换完成后就会使单片机进入中断来处理ADC0804输出的8位数字信息。此外，从机还要将主机发送过来的信息显示出来，以表明从机接收到了主机发来的信号。系统中采用了8个LED连接到单片机的P2口作为显示输出，可以将主机发送过来的十六进制数据以二进制方式显示出来。由于单片机端口的驱动能力有限，不能用高电平直接驱动LED，所以将LED采用共阳极接法。在从机工作的过程中，可能会出现各种异常状况，需要将报警信

9、息及时反馈给主机。为了模拟从机异常报警过程，在单片机的 外部中断输入端连接一个按键，利用按键触发外部中断来报警。当按下键时，从机会将报警信息发送给控制器，控制器收到后再将报警信息传递给主机，在主机界面上就会弹出一个对话框显示是几号从机报警。3 集散控制系统软件设计3.1控制器和从机的软件设计控制器软件设计的主要任务是完成主机和从机之间的数据交换，而从机软件设计的主要任务是完成A/D采集并将采集的数据上传给控制器，能够将主机发送过来的数据输出显示，而且可以通过按键中断触发报警。控制器与主机之间的通信是通过8251来实现的，8251的功能配置由单片机通过软件编程方式实现，单片机可以通过8位并行数据

10、接口向8251写入待发送的数据、命令或者从8251读出接收的数据、状态。在软件设计上可以分为两部分，一部分是控制器向主机发送数据，另一部分是控制器从主机接收数据，程序流程图分别如图3和图4所示。注意必须先读取8251的状态字，当发送数据标志位TXRDY为1时才能通过8251向主机发送数据。控制器在中断服务程序中处理从主机接收到的数据。控制器与从机间的通信主要是利用了51单片机串口的多机通信功能。在多机通信中，为了保证主机与所选择的从机实现可靠的通信，必须保证通信接口具有识别功能，可以通过控制单片机的串口控制寄存器SCON中的SM2位来实现多机通信功能。控制器和从机在接收串行数据时均采用中断方式

11、。控制器与从机通信是通过MAX485来实现的，必须先将单片机的P10口置1，使MAX485处于发送数据的状态，然后才能发送数据，发送完数据后必须将单片机P10口置0，使MAX485处于接收数据的状态。从机的A/D采集采用中断方式通知从机接收数据。当从机接收到的数据为#0AAH时，从机就将A/D转换的数据发送给控制器，发送的数据每隔1s更新一次；当数据为#0BBH时，从机就停止向控制器发送A/D转换的数据；当数据为其它时就输出显示。由于在实际应用中前端控制系统可能会出现各种各样的报警信息，所以在这里通过一个按键触发中断来模拟报警情况的发生。3.2 主机通信控制软件设计与测试3.2.1 主机通信控

12、制软件设计主机控制软件设计主要是针对串口的操作，通过建立主界面对话框及添加变量，串口初始化，串口事件消息处理，发送数据，查看数据，选择从机号查看状态，选择从机号控制状态并且编写VC+程序来实现可视化界面及其功能。3.2.2 从机状态控制测试在测试时，将主机、控制器和两台从机全部连上，在主机对话框的从机状态控制栏里，选择1号机，在编辑框中输入十六进制数据“12”，然后点击“发送”按钮，如图5所示。1号机收到数据后就会将数据用8位LED以二进制方式显示出来，LED显示为“”。图5 从机状态控制测试图6 从机状态控制测试图7 显示1号机报警信息3.2.3 从机状态查看测试在从机状态查看栏里，选择1号

13、机，点击查看按钮，如图6所示，编辑框里就会将1号机A/D采集到的数据以十六进制的方式显示出来。当调整ADC0804的输入电压时，编辑框中的数据就会随着输入电压的变化每隔1s更新一次。同样，当查看2号机时，也能够正常工作。3.2.4 从机报警测试在从机部分通过按键触发中断的方式来模拟报警情况的发生，当按下1号机的按键时，在主机的界面上就会弹出一个菜单显示“1号机报警”，如图7所示；当按下2号机的按键时，在主机的界面上就会弹出一个菜单显示“2号机报警”。4 结论 针对集散控制系统的广泛应用，提出了一种新的由一台PC机和多台单片机组成的一个小型集散控制系统的结构，实现了PC机与多台单片机间的通信任务

14、。本文作者创新点:既充分利用PC机丰富的软硬件资源实现友好的人机界面，又通过RS-232C/485总线结构与8251单片机进行通信，对多台单片机进行数据采集和处理。本系统不仅硬件实现简单，而且软件实现可靠。通过长时间长距离的测试，证明该方法思路简单，价格低、功能强、抗干扰能力好、温限宽、通讯可靠，是一种有效的多机通讯方法。同时，系统可以通过串口通讯，扩展为更高级别的集散控制系统。因此，这种小型集散控制系统有着广阔的应用前景。参考文献1 肖金球等.一种多智能仪表DCS系统的研究.微计算机信息，2005，21（6）：23-252 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.257-2623 李朝青.PC机及单片机数据通信技术.北京：北京航空航天大学出版社，2000.94-1124 郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用（第三版）.北京：