基于51單片機(jī)的多機(jī)通信系統(tǒng)

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1、課程設(shè)計報告 目 錄 1 題設(shè)要求分析 1 2 硬件電路的設(shè)計 3 2.1 系統(tǒng)的組成 3 2.2 系統(tǒng)的工作原理 3 2.3 硬件電路原理圖設(shè)計 4 2.4 硬件電路的實現(xiàn) 6 3 軟件電路的設(shè)計 8 3.1 通信協(xié)議的設(shè)計 8 3.2 主機(jī)程序設(shè)計 8 3.3 從機(jī)程序設(shè)計 12 4 系統(tǒng)的調(diào)試與實現(xiàn) 15 4.1 從機(jī)模塊調(diào)試 15 4.2 LED顯示模塊調(diào)試 15 4.3電平轉(zhuǎn)換模塊功能調(diào)試 15 4.4主機(jī)模塊功能調(diào)試 16 4.5整體設(shè)計功能調(diào)試 16 參考文獻(xiàn) 18 17 1 題設(shè)要求分析 本小組的試驗題目如下： 一、任務(wù)：

2、 設(shè)計實現(xiàn)多臺單片機(jī)系統(tǒng)之間的串行通信 二、基本要求（難度系數(shù)0.8）： （1）設(shè)計一個主從式多機(jī)通信系統(tǒng)，包含1臺主機(jī)和3臺從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)全部為單片機(jī)； （2）選擇合適總線接口芯片，正確連接主機(jī)和從機(jī)； （3）編程實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集功能，主機(jī)可以獲取各分機(jī)當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，并顯示。 三、發(fā)揮部分： （1）完善通信功能。（根據(jù)完成情況加分，上限+0.2） 經(jīng)過本小組成員對本課題認(rèn)真討論先做出如下分析： 對課題分析后本小組認(rèn)為本次實驗的目的是就是應(yīng)用單片的串口通信功能實現(xiàn)一個分布式采集系統(tǒng)。整個系統(tǒng)中包含一片主機(jī)和三片從機(jī)，主機(jī)的任務(wù)是實現(xiàn)對三片從機(jī)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的采集并在

3、數(shù)碼管上顯示之。這樣從硬件的角度上將整個系統(tǒng)分為兩個模塊——主機(jī)模塊和從機(jī)模塊。主機(jī)模塊中包含單片機(jī)模塊、led數(shù)碼管顯示子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊，從機(jī)模塊則包括單片機(jī)子模塊、AD轉(zhuǎn)換子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊。就本次試驗而言硬件電路的設(shè)計難點在于串口電平轉(zhuǎn)換芯片的選擇及其連接，而軟件的設(shè)計難點在于串口通信協(xié)議的制定及相關(guān)程序的編寫。 實現(xiàn)多機(jī)通信方案的實現(xiàn)。不同于雙機(jī)通信多機(jī)通信系統(tǒng)中需要識別通信信息發(fā)出者或是接受者是誰。經(jīng)過查閱資料發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)的多機(jī)通信系統(tǒng)中都是才采用地址識別的方法實現(xiàn)的。所謂地址識別方法就是在發(fā)送或接受信息前先發(fā)送和校驗地址幀。就本題目而言，先要對通信系統(tǒng)中的每臺機(jī)

4、器分配一個唯一的地址作為識別信息。具體的識別過程如下： n 首先，從機(jī)處于只接收地址幀的狀態(tài)； n 主機(jī)發(fā)送一幀地址信息； n 從機(jī)接受到地址幀后，將本機(jī)地址與地址幀中的地址進(jìn)行比較，如果地址相同準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)，否則丟棄當(dāng)前幀，依然處于只接受地址幀的狀態(tài)； n 主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，相應(yīng)的從機(jī)接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機(jī)繼續(xù)回到只接受地址幀的狀態(tài)，在這個過程中其他從機(jī)不受影響； n 當(dāng)主機(jī)需要與其他從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，可以再次發(fā)送地址幀呼叫從機(jī)，重復(fù)這一過程[1]。 對于本題而言可通過此過程實現(xiàn)主機(jī)對從機(jī)的絕對控制。這樣在主機(jī)中編寫一個循環(huán)程序就可以實現(xiàn)對三臺從機(jī)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的不停采集

5、。至于地址幀與數(shù)據(jù)幀的區(qū)別則可通過串口工作方式三下的第九位的置1或置0來實現(xiàn)。在完成通信的基礎(chǔ)上，再將采集到的三路結(jié)果分別用兩個led數(shù)碼管顯示即可試驗預(yù)期目的。 2 硬件電路的設(shè)計 2.1 系統(tǒng)的組成 根據(jù)題目分析可知硬件電分為主機(jī)模塊和從機(jī)模塊。主機(jī)模塊中包含單片機(jī)子模塊、led數(shù)碼管顯示子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊，從機(jī)模塊則包括單片機(jī)子模塊、AD轉(zhuǎn)換子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊。在主模塊中由AT89S51單片機(jī)擔(dān)任主機(jī)，六個led數(shù)碼管擔(dān)任顯示設(shè)備和一片MAX485擔(dān)任串口的電平轉(zhuǎn)換。在整個主機(jī)系統(tǒng)中有三個從機(jī)模塊三個從機(jī)模塊結(jié)構(gòu)一樣，有一片AT89S51單片機(jī)擔(dān)任從機(jī)外接一片AD

6、C0809轉(zhuǎn)換芯片和一片MAX485擔(dān)任串口的電平轉(zhuǎn)換。串口采用單工及異步通信方式。整個硬件結(jié)構(gòu)原如圖1所示。 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 2.2 系統(tǒng)的工作原理 主機(jī)AT89S51編程可實現(xiàn)循環(huán)訪問個從機(jī)，當(dāng)從機(jī)接受主機(jī)訪問后啟動AD轉(zhuǎn)換設(shè)備ADC0809對外部模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)從機(jī)獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果后通過串口將其發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)接受到轉(zhuǎn)換結(jié)果后再將其發(fā)送到相應(yīng)的led數(shù)碼管顯示。 2.3 硬件電路原理圖設(shè)計 （1）led數(shù)碼管顯示電路 led數(shù)碼管顯示電路如圖2所示顯示子模塊由六個數(shù)碼管和相應(yīng)的啟動芯片構(gòu)成。其中每路通道的采集值用量為數(shù)碼管顯示。為了節(jié)約單片機(jī)的I/O口本題的數(shù)碼

7、管采用MAX7219芯片。給芯片的優(yōu)點在于可完成電路的刷新。MAX7219芯片的SEG A-SEG DP為數(shù)碼管段碼接口，DIG0-DIG7為位碼接口，CLK、DIN、LOAD分別與單片機(jī)P1.0、P1.1、P1.2連接。單片機(jī)通過串行的方式將要顯示的數(shù)據(jù)通過CLK、DIN、LOAD三個接口送入相應(yīng)的顯示寄存器內(nèi)，MAX7219將自動完成對數(shù)碼管的刷新工作。具體的電路如圖2所示。 圖 2 led顯示電路 （2）串口電平轉(zhuǎn)換電路 串口電平轉(zhuǎn)換電路的電路圖如圖3所示：本實驗中采用MAX485的電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX485是一種RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口的電平轉(zhuǎn)換芯片。RS-485采用差分式半雙

8、工通信方式，真正實現(xiàn)多點總線連接，具有傳輸距離遠(yuǎn)可靠性高的特點?；谝陨显虮拘〗M選擇該芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MAX485的1號引腳RO為接收端接單片RXD, 4號引腳DI為發(fā)送端接單片TXD, 2、3號引腳分別為發(fā)送接收使能端端接單片P1.3引腳。6、7號引腳總線接線口。 圖 3 電平轉(zhuǎn)換電路 （3）主機(jī)模塊電路 根據(jù)設(shè)計要求繪制主機(jī)模塊電路圖如圖4所示。 圖 4 主機(jī)模塊電路圖 （4）從機(jī)模塊電路 根據(jù)設(shè)計要求繪制從機(jī)模塊電路圖如圖5所示。 圖 5 從機(jī)模塊電路圖 2.4 硬件電路的實現(xiàn) 首先是主從機(jī)電路的實現(xiàn)。主機(jī)的電路的搭建采用主CPU板、鍵

9、盤顯示接口板各一塊。照實驗原理圖將主CPU板的P0口接到鍵盤顯示接口板的位碼接口，P1口接到鍵盤顯示接口板的段碼的接口。從機(jī)的電路由CPU板和ADDA轉(zhuǎn)換板構(gòu)成。 其次是電平轉(zhuǎn)換電路的焊接。電平轉(zhuǎn)換的路的實現(xiàn)是通過自己搭建電路完成。電平轉(zhuǎn)換的電路主要有四塊MAX485和兩個100Ω電阻構(gòu)成。四塊MAX485采用總線方式連接，每個芯片分別引出三個引腳用于單片的連接。 最后將各個模塊的按照原理圖連接起來。 圖 6 硬件電路的連接  3 軟件電路的設(shè)計 3.1 通信協(xié)議的設(shè)計 通信協(xié)議的設(shè)計的設(shè)計是本題的重點難點，本題通信協(xié)議主要是區(qū)別主機(jī)和從機(jī)。由于串口的方式2、3發(fā)送和

10、接收都是11位其第九為可編程置位可以此作為區(qū)分地址幀與數(shù)據(jù)幀從而實現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)，從機(jī)與從機(jī)的區(qū)別。通信協(xié)議同樣要規(guī)定相同通信速率。參考相關(guān)資料后編寫如下的通信協(xié)議。 n 數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方均使用9600kb/s的速率傳送數(shù)據(jù)，使用主從式通信，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)接受數(shù)據(jù)，雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)時使用查詢方式。 n 雙機(jī)開始數(shù)據(jù)傳輸時，主機(jī)發(fā)送地址幀呼叫從機(jī)。 n 各從機(jī)開始都處于只收地址幀狀態(tài)。接收到地址幀后，將接收到的地址內(nèi)容和本機(jī)地址比較，如果地址相同，則向主機(jī)返回本機(jī)地址作為確認(rèn)信息，并開始接收數(shù)據(jù)；如果不同，則繼續(xù)等待。 n 主機(jī)在發(fā)送地址幀后等待，如果接收到的應(yīng)答信息中的內(nèi)容和所發(fā)地址幀的

11、內(nèi)容相同，就開始發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不一致，主機(jī)將繼續(xù)發(fā)送地址幀。如多次應(yīng)答仍無回應(yīng)則認(rèn)為出錯則主機(jī)跳出本次通信。 n 從機(jī)在接收完數(shù)據(jù)后，將根據(jù)最后的校驗結(jié)果判斷數(shù)據(jù)接收是否正確，若校驗真確，則向主機(jī)發(fā)送2AH信號，同時點亮led燈半秒鐘，表示本次通信成功；若校驗錯誤，則發(fā)送F0H信號，表示接收數(shù)據(jù)錯誤，并請求從發(fā)。 n 主機(jī)接收到2AH信號，則通信結(jié)束，否則主機(jī)將重新發(fā)送這組數(shù)據(jù)。 3.2 主機(jī)程序設(shè)計 依據(jù)試驗要求及相應(yīng)的通信協(xié)議現(xiàn)繪制如下的主機(jī)程序流程圖： 圖 7 主機(jī)程序流程圖 主機(jī)程序： #include #include

12、 unsigned char LED_seg[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; unsigned char LED_bit[6]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20}; unsigned char LED_buf[6]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00}; void delay(unsigned long n) //延時子程序 { unsigned int i; for(i=1;i

13、void convert(unsigned char a ,unsigned char j) //電壓轉(zhuǎn)換子程序 { unsigned char m,n,i; unsigned char b=0; for(i=0;i<51;i++) { b=i*5; if(b

14、} void sbuf_init(void) //串口初始化子程序 { SCON=0xd0; //工作方式3 PCON=0x00; TMOD=(TMOD&0xf)|0x20; TH1=0xfd; TL1=0xfd; TR1=1; } void flash_led(void) //led顯示子程序 { unsigned char i; for(i=0;i<6;i++) { P2=LED_buf[i];

15、 P0=LED_bit[i]; delay(200); } P0=0x00; } void main(void) //主函數(shù) { unsigned char ADDR=0x00; unsigned char tmp; unsigned char a=0; unsigned char i=0; unsigned char j=0; sbuf_init(); while(1) { tmp = ADDR+1; while(tmp!=ADDR) {

16、 /* 發(fā)送從機(jī)地址 */ TI = 0; TB8 = 1; // 發(fā)送地址幀 P1 = 0xff; //發(fā)送使能 delay(20); SBUF = ADDR; while(!TI); TI = 0; delay(20); /* 接收從機(jī)應(yīng)答 */ P1 = 0x00; //接受使能 delay(50); while(!RI); tmp = SBU

17、F; RI = 0; delay(20); } P1 = 0x00; //接受使能 delay(10); while(!RI); a = SBUF; RI = 0; delay(10); j=ADDR; i++; ADDR++; if (i>=3) { i=0; ADDR=0x00; } convert(a,j); flash_led(); } } 3.3 從機(jī)程序設(shè)計 從程序流程圖如下

18、： 圖 8 從機(jī)模塊流程圖 從機(jī)程序： #include #include #include #define INO XBYTE[0x0000] #define ADDR 0x02 //從機(jī)地址0x00、ox01、0x02 sbit AD_BUSY=P3^3; void delay(unsigned long n) //延時子程序 { unsigned int i; for(i=1;i

19、init(void) //串口初始換子程序 { SCON=0xd0; //工作方式3 PCON=0x00; TMOD=(TMOD&0xf)|0x20; TH1=0xfd; TL1=0xfd; TR1=1; } void main(void) //主程序 { unsigned char a; unsigned char tmp=0xff; sbuf_init(); while(1) { SM2=1; // 只接收地址幀

20、 /* 如果接收到的地址幀不是本機(jī)地址，則繼續(xù)等待 */ tmp=ADDR+1; P1=0x00; //接受使能 while(tmp!=ADDR) { while(!RI); tmp=SBUF; RI=0; } delay(20); /* 發(fā)送本機(jī)地址作為應(yīng)答信號，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù) */ P1=0xff; //發(fā)送使能 delay(40); TI=0; TB8=0;

21、// 主機(jī)不檢測該位 SBUF = ADDR; delay(10); while(!TI); TI = 0; //SM2 = 0; //允許接收數(shù)據(jù) /* 數(shù)據(jù)發(fā)送 */ delay(40); /*INO=0; i=i; i=i; while(AD_BUSY==0); a=INO;*/ a=0x88; SBUF=a; while(TI==0); TI=0; delay(60); } } 4 系統(tǒng)的調(diào)試與實現(xiàn)

22、 對本課題的設(shè)計思路清晰之后，我們接下來所需要做的工作就是依據(jù)我們的方案編程實現(xiàn)功能。本過程可以分為五個部分：從機(jī)模塊調(diào)試、 LED顯示模塊調(diào)試、電平轉(zhuǎn)換模塊功能調(diào)試、主機(jī)模塊功能調(diào)試、整體設(shè)計功能調(diào)試。 4.1 從機(jī)模塊調(diào)試 從機(jī)部分實現(xiàn)的功能是針對主機(jī)發(fā)送來的地址進(jìn)行對照，如果是自己的從機(jī)地址，就會發(fā)送AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。為了檢測此部分的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，我們借助串口測試軟件，發(fā)送預(yù)設(shè)的從機(jī)地址看看該從機(jī)是否會把AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果發(fā)送來。此從機(jī)調(diào)試模塊分為兩個層次：1、用一個簡單的程序測試從機(jī)硬件部分是否能正常運行；2、在硬件良好的情況下測試編寫的從機(jī)部分代碼能否順利實現(xiàn)功能。 4.2 LED

23、顯示模塊調(diào)試 該部分相比較而言簡單一點，其實也可以歸為主機(jī)模塊調(diào)試的一部分。LED功能就是用來顯示DA轉(zhuǎn)換的結(jié)果。連接好電路之后，用個小程序測試LED顯示功能良好的情況下顯示從機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。此部分在主機(jī)模塊功能調(diào)試具體介紹。 4.3電平轉(zhuǎn)換模塊功能調(diào)試 此部分硬件電路多為我們自己焊接。包括4片MAX485轉(zhuǎn)換芯片組成的電平轉(zhuǎn)換電路。它們完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機(jī)連接時只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能

24、端，當(dāng)/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。由于經(jīng)驗知識不足，我們匹配電阻選擇了一個阻值為10KΩ的電阻，造成芯片燒壞，此處應(yīng)引起注意。 4.4主機(jī)模塊功能調(diào)試 當(dāng)主機(jī)發(fā)送地址幀呼叫從機(jī)時從機(jī)將接收到的內(nèi)容與自己的地址比較，

25、如若相同從機(jī)會向主機(jī)發(fā)送主機(jī)所需要的數(shù)據(jù)。而主機(jī)接收到正確的數(shù)據(jù)，便會通過LED數(shù)碼管顯示出來，這樣便會實現(xiàn)我們預(yù)想的主機(jī)模塊功能。當(dāng)然主機(jī)部分程序包含上面調(diào)試好的LED顯示模塊程序。此處將從機(jī)送來的數(shù)值通過調(diào)用LED顯示模塊子程序顯示出來。LED顯示模塊分為三個區(qū)域，從機(jī)0、從機(jī)1、從機(jī)2分別占用2個顯示管。 4.5整體設(shè)計功能調(diào)試 各個模塊程序功能調(diào)試好之后，將他們各就各位。但此時我們又遇到一個難題：從機(jī)送給主機(jī)的數(shù)據(jù)在經(jīng)MAX485傳遞給主機(jī)時讀出來的不是理想的結(jié)果，后經(jīng)過示波器查看輸出波形，經(jīng)多次調(diào)試，將主機(jī)與從機(jī)時序調(diào)整一致才得以在主機(jī)收到從機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。5 總結(jié)與體會 為

26、期一個禮拜的單片機(jī)課程設(shè)計就這么快的結(jié)束了，在這短暫的一個星期里我們學(xué)到了很多很多。我們在課堂上掌握的僅僅是書面的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力，如何把我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識運用到實踐中去呢？我想做此類的課程設(shè)計就為我們提供了良好的實踐平臺。 在做本次課程設(shè)計的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的資料，無論是課本上的還是網(wǎng)上的我們都學(xué)習(xí)了不少，從中也借鑒了別人的思想，開闊了自己的思路。做單片機(jī)課程設(shè)計，對設(shè)計者對軟硬件的理解和掌握的要求比較高。在設(shè)計程序之前，設(shè)計者必學(xué)對所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設(shè)計

27、程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計課程過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題。我們在實驗中就遇到了一系列問題，比如剛剛開始時硬件電路的連接，針對MAX485芯片匹配電阻的選擇，從機(jī)與主機(jī)握手的過程等等，在大家仔細(xì)的思考和老師同學(xué)的幫助下順利解決。 此次課程設(shè)計在組長楊小強(qiáng)同學(xué)的帶領(lǐng)下我們步步為營，大家學(xué)會了一個重要的設(shè)計技巧，就是一步一個腳印，踏踏實實的編程，每編寫好一個模塊的程序后應(yīng)及時檢測是否正確。若是“一步登天”，一次性將所有程序編寫好再進(jìn)行測試，這樣如若出現(xiàn)問題，但無法知道問題出在何處，這樣會帶來更大的麻煩，修改就無從下手。總而言之，此次的單片機(jī)課程設(shè)計讓我們“吃盡了苦頭”，花費了不少腦細(xì)胞，無論是軟件的使用還是對單片機(jī)內(nèi)部資源硬件的了解，我們的認(rèn)識都大大加深了。 同時感謝李老師及同學(xué)們，感謝你們給予我們小組的指導(dǎo)和幫助，謝謝你們！ 參考文獻(xiàn) [1] 戴佳，戴衛(wèi)恒，劉博文 51單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講.第二版 電子工業(yè)出版社 2008.12