基于51單片機的多機通信系統(tǒng).doc

課程設(shè)計報告課程 單片機技術(shù) 題目 串口通信多機通信系統(tǒng) 系 別 年 級 07級 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職 稱 設(shè)計時間 目 錄1 題設(shè)要求分析12 硬件電路的設(shè)計32.1 系統(tǒng)的組成32.2 系統(tǒng)的工作原理32.3 硬件電路原理圖設(shè)計42.4 硬件電路的實現(xiàn)63 軟件電路的設(shè)計83.1 通信協(xié)議的設(shè)計83.2 主機程序設(shè)計83.3 從機程序設(shè)計124 系統(tǒng)的調(diào)試與實現(xiàn)154.1 從機模塊調(diào)試154.2 LED顯示模塊調(diào)試154.3電平轉(zhuǎn)換模塊功能調(diào)試154.4主機模塊功能調(diào)試164.5整體設(shè)計功能調(diào)試16參考文獻181 題設(shè)要求分析本小組的試驗題目如下：一、任務(wù)：設(shè)計實現(xiàn)多臺單片機系統(tǒng)之間的串行通信二、基本要求（難度系數(shù)0.8）：（1）設(shè)計一個主從式多機通信系統(tǒng)，包含1臺主機和3臺從機，主機和從機全部為單片機；（2）選擇合適總線接口芯片，正確連接主機和從機；（3）編程實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集功能，主機可以獲取各分機當(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)中包含一片主機和三片從機，主機的任務(wù)是實現(xiàn)對三片從機的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的采集并在數(shù)碼管上顯示之。這樣從硬件的角度上將整個系統(tǒng)分為兩個模塊主機模塊和從機模塊。主機模塊中包含單片機模塊、led數(shù)碼管顯示子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊，從機模塊則包括單片機子模塊、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)多機通信方案的實現(xiàn)。不同于雙機通信多機通信系統(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，從機處于只接收地址幀的狀態(tài)；n 主機發(fā)送一幀地址信息；n 從機接受到地址幀后，將本機地址與地址幀中的地址進行比較，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 主機發(fā)送數(shù)據(jù)幀，相應(yīng)的從機接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機繼續(xù)回到只接受地址幀的狀態(tài)，在這個過程中其他從機不受影響；n 當(dāng)主機需要與其他從機進行數(shù)據(jù)傳輸時，可以再次發(fā)送地址幀呼叫從機，重復(fù)這一過程1。對于本題而言可通過此過程實現(xiàn)主機對從機的絕對控制。這樣在主機中編寫一個循環(huán)程序就可以實現(xiàn)對三臺從機的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的不停采集。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模塊和從機模塊。主機模塊中包含單片機子模塊、led數(shù)碼管顯示子模塊和串口電平轉(zhuǎn)換子模塊，從機模塊則包括單片機子模塊、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單片機擔(dān)任主機，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。在整個主機系統(tǒng)中有三個從機模塊三個從機模塊結(jié)構(gòu)一樣，有一片AT89S51單片機擔(dān)任從機外接一片ADC0809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AT89S51編程可實現(xiàn)循環(huán)訪問個從機，當(dāng)從機接受主機訪問后啟動AD轉(zhuǎn)換設(shè)備ADC0809對外部模擬信號進行轉(zhuǎn)換。當(dāng)從機獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果后通過串口將其發(fā)送到主機，主機接受到轉(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)約單片機的I/O口本題的數(shù)碼管采用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P1.0、P1.1、P1.2連接。單片機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）主機模塊電路 根據(jù)設(shè)計要求繪制主機模塊電路圖如圖4所示。圖 4 主機模塊電路圖（4）從機模塊電路根據(jù)設(shè)計要求繪制從機模塊電路圖如圖5所示。圖 5 從機模塊電路圖2.4 硬件電路的實現(xiàn)首先是主從機電路的實現(xiàn)。主機的電路的搭建采用主CPU板、鍵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100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)別主機和從機。由于串口的方式2、3發(fā)送和接收都是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)主機與從機，從機與從機的區(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，主機發(fā)送數(shù)據(jù)，從機接受數(shù)據(jù)，雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)時使用查詢方式。n 雙機開始數(shù)據(jù)傳輸時，主機發(fā)送地址幀呼叫從機。n 各從機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)容和本機地址比較，如果地址相同，則向主機返回本機地址作為確認(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)地址幀的內(nèi)容相同，就開始發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不一致，主機將繼續(xù)發(fā)送地址幀。如多次應(yīng)答仍無回應(yīng)則認(rèn)為出錯則主機跳出本次通信。n 從機在接收完數(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 主機接收到2AH信號，則通信結(jié)束，否則主機將重新發(fā)送這組數(shù)據(jù)。3.2 主機程序設(shè)計依據(jù)試驗要求及相應(yīng)的通信協(xié)議現(xiàn)繪制如下的主機程序流程圖：圖 7 主機程序流程圖主機程序：#include<stdio.h>#include<reg51.h>unsigned char LED_seg10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;unsigned char LED_bit6=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20;unsigned char LED_buf6=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;void delay(unsigned long n) /延時子程序 unsigned int i; for(i=1;i<n;i+) ; 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<a)i+;elsebreak; m=i/10; n=i%10; j=j*2; LED_bufj=LED_segn; LED_bufj+1=LED_segm+0x80; void sbuf_init(void) /串口初始化子程序SCON=0xd0; /工作方式3PCON=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_bufi; P0=LED_biti; 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)/* 發(fā)送從機地址 */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);/* 接收從機應(yīng)答 */P1 = 0x00; /接受使能delay(50);while(!RI);tmp = SBUF;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 從機程序設(shè)計從程序流程圖如下：圖 8 從機模塊流程圖從機程序：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include<stdio.h>#define INO XBYTE0x0000#define ADDR 0x02 /從機地址0x00、ox01、0x02sbit AD_BUSY=P33;void delay(unsigned long n) /延時子程序 unsigned int i; for(i=1;i<n;i+) ; void sbuf_init(void) /串口初始換子程序SCON=0xd0; /工作方式3PCON=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 /* 如果接收到的地址幀不是本機地址，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; / 主機不檢測該位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)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、主機模塊功能調(diào)試、整體設(shè)計功能調(diào)試。4.1 從機模塊調(diào)試從機部分實現(xiàn)的功能是針對主機發(fā)送來的地址進行對照，如果是自己的從機地址，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)的從機地址看看該從機是否會把AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果發(fā)送來。此從機調(diào)試模塊分為兩個層次：1、用一個簡單的程序測試從機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部分代碼能否順利實現(xiàn)功能。4.2 LED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發(fā)送來的數(shù)據(jù)。此部分在主機模塊功能調(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RS485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，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，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100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10K的電阻，造成芯片燒壞，此處應(yīng)引起注意。4.4主機模塊功能調(diào)試當(dāng)主機發(fā)送地址幀呼叫從機時從機將接收到的內(nèi)容與自己的地址比較，如若相同從機會向主機發(fā)送主機所需要的數(shù)據(jù)。而主機接收到正確的數(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)想的主機模塊功能。當(dāng)然主機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0、從機1、從機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：從機送給主機的數(shù)據(jù)在經(jīng)MAX485傳遞給主機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，將主機與從機時序調(diào)整一致才得以在主機收到從機發(fā)送來的數(shù)據(jù)。5 總結(jié)與體會為期一個禮拜的單片機課程設(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)對所用單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機內(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，從機與主機握手的過程等等，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?？偠灾?，此次的單片機課程設(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1 戴佳，戴衛(wèi)恒，劉博文 51單片機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