畢業(yè)設計精品]RS485的單片機多機通信模型.doc

1畢業(yè)論文題目基于RS485的單片機多機通信模型專業(yè)電氣自動化技術班級06151學生姓名指導教師答辯日期2摘要在多機通信領域由于單片機具有靈活高效的多機通信功能和價格優(yōu)勢，應用越來越廣泛，但由于單片機的收發(fā)信號都是TTI電平，驅動能力和抗干擾性有限，實用中常配合其它總線實現(xiàn)互聯(lián)，RS485總線就是其中之一。RS485總線是平衡差分傳輸，抗干擾性好，最遠可傳輸4000m，可互聯(lián)多達128個單片機，非常適臺組成多機通信系統(tǒng)。在多機通信中，最重要的是保證通信有條不紊地進行，因此需要嚴格的通信協(xié)議和完善的通信軟件，本文將重點介紹應用于某大型工程的單片機多機通信協(xié)議和通信軟件的設計方法。本文介紹一種利用單片機本身所提供的串行通訊口，采用自定義串行通信協(xié)議，加上總線驅動器如MAX481、MAX483、MAX485、MAX487等組合成簡單的RS485通訊網(wǎng)絡，完成單片機間的多機通訊。關鍵詞:單片機；串行通信；RS485總線：多機通信協(xié)議3目錄第1章緒論.第2章總體介紹2.1總體說.第3章硬件設計及原理.3.180C51單片機硬件結構.3.2最小應用系統(tǒng)設計.3.3總線驅動芯片.第4章系統(tǒng)問題及其解決.4.1通信規(guī)則.4.2可靠性及常見故障.4.3總線匹配.4.4RO及DI端配置上拉電阻.4.5總線隔離.4.6失效保護.4.7地線與接地.4.8電磁干擾（EMI）問題.4.9瞬態(tài)保護.第5章軟件設計.5.1系統(tǒng)結構.5.2通信協(xié)議.5.3通信軟件設計.第6章程序設計.第7章系統(tǒng)仿真.4第1章緒論RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當高。同時，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10Kbps速率傳輸數(shù)據(jù)時傳輸距離可達12m，而用100Kbps時傳輸距離可達1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進一步提高。另外RS-485實現(xiàn)了多點互連，最多可達256臺驅動器和256臺接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實現(xiàn)半雙工通信，而且可以實現(xiàn)全雙工通信。本設計采用MCS-51系列中的80C51單片機。以80C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。80C51是一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。它是第三代單片機的代表。第三代單片機包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,還包括了PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色與80C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，將一些外部接口功能單元如A/DPWMPCA(可編程計數(shù)器陣列)WDT(監(jiān)視定時器)高速I/O口計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統(tǒng)設計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機80C51系列8C592單片機引入了具有較強功能的設備間網(wǎng)絡系統(tǒng)總線-CAN(ControllerAreaNetworkBUS).新一代單片機為外部提供了相當完善的總線結構，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎。5第2章總體介紹2.1總體說系統(tǒng)組成：菲利浦公司研發(fā)的LPC900系列單片機是一個基于80C51內核的高速、低功耗Flash單片機,主要集成了字節(jié)方式的I2C總線、SPI接口、UART通信接口、實時時鐘、E2PROM、A/D轉換器、ISP/IAP在線編程和遠程編程方式等一系列有特色的功能部件。本文中系統(tǒng)構成使用了P89LPC932單片機。P89LPC932是一款單片封裝的微控制器,適用于許多要求高集成度、低成本的場合。它采用了高性能的處理器結構,指令執(zhí)行時間只需要2-4個時鐘周期,6倍于標準80C51器件。Rs485RS485通信方式RS485標準是由EIA(電子工業(yè)協(xié)會)和TIA(通訊工業(yè)協(xié)會)共同制訂和開發(fā)的。RS485作為一種多點差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范,已成為業(yè)界最廣泛應用的標準通信接口之一。理論上,RS485標準最多接入32個設備(受芯片驅動能力的影響),可以工作在半雙工或全雙工模式下,最大傳輸距離約為1219米,最大傳輸速率約為10Mbps1。然而通常RS485網(wǎng)絡采用平衡雙絞線作為傳輸媒體,平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比,只有在20Kbps的傳輸速率下,才可能達到最大傳輸距離。一般15米長的雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。不過對于速率要求不是很高的控制系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。單片機單片機部分:P89LPC932芯片具有功耗低、集成度高等優(yōu)點,操作電壓范圍為24V-36V,I/O口可承受5V(可上拉或驅動到55V)。不同用戶可根據(jù)需求外接編碼器、顯示屏等外部電路。外接時鐘頻率可高達#?外接晶振電路18MHz。需注意的是外接晶振部分,溫度在-55-+125攝氏度以內,通過增加一個1M歐姆的外部偏置電阻R91可以使LPC900系列器件的高頻振蕩器起振。由于RS485總線傳輸?shù)氖菙?shù)字信號,因此信號需與前面模擬信號隔離,采用TLP521芯片進行光耦隔離,發(fā)光二極管部分電路用22k的電阻限流,電阻若超過5k則會由于電流過小而工作不正常。RS485通信使用芯片為SP3485,工作于半雙工通訊狀態(tài),即同一時刻,總線上只能有一個節(jié)點成為主節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài),而其余節(jié)點均處于接收狀態(tài),如果同一時刻有兩個或兩個以上節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)將導致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗,即所謂總線沖突。單片機I/O口P16用來控制收發(fā)狀態(tài)。SP3485驅動器可允許在同一串行總線上連接32個收發(fā)器軟件編程P89LPC932芯片有增強的UART模塊,他有多種工作模式,其中模式2和模式3有一個專門的應用領,即多機通信。通過對串口控制寄存器SCON中SM1和SM2位的設置來選擇相應的工作模式。SCON:SM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRI本文中介紹的系統(tǒng)采用模式3的通信方式。串口通信采用9600bps的傳輸速率。串口工作于工作模式工作模式3的工作方式大致如下:TXD管腳發(fā)送,RXD管腳接收,每次數(shù)據(jù)為11位(1個起始位0,數(shù)據(jù)位,1個可編程的第9位數(shù)據(jù)及1個停止位)。當且僅當產(chǎn)生最后一位移位脈6沖時滿足下列條件:=0以及SM2=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)=1,數(shù)據(jù)才會被裝入SBUF和RB8,并置位RI。上述兩個條件任何一個不滿足,所接收到的數(shù)據(jù)幀都會丟失,并且無法恢復。兩個條件都滿足時,接收到的第9位數(shù)就進入RB8,而前8位數(shù)據(jù)則進入SBUF,并且RI置位。在此模式下,UART可編程為:接收到停止位時,僅當RB8=1時串口中斷才激活。可通過置位SCON的SM2位來使能這一特性。本系統(tǒng)中的使用方法如下:當主機需要發(fā)送一數(shù)據(jù)塊給某一臺從機時(從。機發(fā)送數(shù)據(jù)至主機的原理與此相同),首先發(fā)送一個地址字節(jié)以識別目標從機。地址字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)的區(qū)別在于第9位數(shù)據(jù),地址字節(jié)的第9位為1,而數(shù)據(jù)字節(jié)的第9位為0。SM2=1時,數(shù)據(jù)字節(jié)不會使從機產(chǎn)生中斷,而地址字節(jié)則會使所有從機都產(chǎn)生中斷,這樣每個從機可以檢查接收到的字節(jié)并判斷是否被尋址。被尋址的從機將清零SM2位以準備接收隨后的數(shù)據(jù)字節(jié)。未被尋址的從機則跳出中斷,SM2位仍為1,這樣就忽略隨后的數(shù)據(jù)字節(jié)各自繼續(xù)工作。由于SP485接收器工作于半雙工模式,所以為保證時序不紊亂,程序中采用中斷方式接收串口數(shù)據(jù)時未加入來回發(fā)送數(shù)據(jù)確認地址的功能,否則接收的過程中需要再將狀態(tài)轉為發(fā)送會顯得比較亂。因此,考慮到RS485可靠通訊的速率和距離的關系,在9600bps的傳輸速率下,通訊距離不要超過100m。第3章硬件設計及原理一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器打印機A/DD/A轉換器等，要設計合適的接口電路。3.180C51單片機硬件結構80C51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上2。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。3.1.1微處理器該單片機中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。3.1.2數(shù)據(jù)存儲器片內為128個字節(jié)，片外最多可外擴至64k字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。3.1.3程序存儲器由于受集成度限制，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲7器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節(jié)。3.1.4中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權。3.1.5定時器/計數(shù)器片內有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。3.1.6串行口1個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。2.1.7P1口、P2口、P3口、P4口為4個并行8位I/O口。2.1.8特殊功能寄存器共有21個，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。由上可見，80C51單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微計算機，這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機中8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的一個突破，這也是MCS-51單片機在設計的精美之處。3.2最小應用系統(tǒng)設計80C51是片內有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用80C51單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖3.180C51單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點：(1)有可供用戶使用的大量I/O口線。(2)內部存儲器容量有限。(3)應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。8圖3.180C51單片機最小系統(tǒng)2.2.1、時鐘電路80C51雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。80C51單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2可在20pF到100pF之間取值，但在60pF到70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用NPO電容。3.2.2、復位電路80C51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF,R取1K。9除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復位電路見圖3.2。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22uF,Rs取200，RK取1K。圖3.280C51復位電路3.3總線驅動芯片MAX481、MAX483、MAX485、MAX487-MAX491以及MAX1487是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器。MAX483、MAX487、MAX488以及MAX489具有限擺率驅動器，可以減小EMI，并降低由不恰當?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實現(xiàn)最高250kbps的無差錯數(shù)據(jù)傳輸。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1