项目 7 双机异步通信系统的设计、仿真与制作

项目 7双机异步通信系统的设计、仿真与制作 • 7. 1 工作任务 • 7. 2 理论基础 • 7.3 工作过程 • 7. 4 能力拓展

7. 1 工作任务 • 本项目的工作任务是设计一种双机异步通信系统。设甲机发送乙机接收，波特率为2400波特，两机晶振率频均为6MHz。要求甲机能够将外部数据存储器4000H ~40FFH单元的存储信息向乙机发送，在发送数据之前将数据块长度发送给乙机，发送完2568后，向乙机发送一个累加和校验。数据传送结束时，向甲机发送一个状态字节，表示传送是正确还是错误。返回

7. 2 理论基础 • 7. 2.1 串行通信基础 • 在通信领域内，有两种数据通信方式:并行通信和串行通信。 • 并行通信是指将数据的各位用多条数据线同时进行传输，其优点是传送速度快，缺点是需要传输线较多，所以并行通信适用于短距离数据传送。并行通信示意图如图7一1所示。 • 串行通信是指将数据只用一条数据线一位一位地依次传输，通过单片机的串行接口进行通信。其优点是只需一条数据线，缺点是传输速率较低。所以串行通信特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串行通信示意图如图7 -2所示。 • 1.串行通信方式 • 按照串行数据的始终控制方式不同，串行通信分为异步通信和同步通信。下一页返回

7. 2 理论基础 • 2.串行通信制式 • 串行通信按数据传输方向可分为:单工、半双工和全双工。 • 单工是指两个通信设备中一个只能发送，一个只能接收，数据传送方向是单向的，如图7一3(a)所示。半双工是指两个通信设备中都有一个发送器和一个接收器，相互可以发送和接收数据，但不能在两个方向上同时传送，如图7 -3(b)所示。 • 全双工是指两个通信设备可以同时发送和接收数据，数据传送可以在两个方向同时进行，如图7一3(c)所示。 • 3.串行口连接 • 如果距离很近，只需两根信号线(TXD,RXD)和一根地线(GND)就可以实现，如图7 -4所示。上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • 当距离在15米以内，可采用RS -232接口实现，如图7 -5所示。 • 如果是远程通信，可通过调制解调器(Modern)进行通信互联。 • 将调制器和解调器组合在一起就构成了调制解调器.如图7一6所示。 • 7.2.2 MCS -51单片机的串行接口 • MC5一51单片机内部有一个可编程的全双工串行通信接口。 • 1.串行口的结构 • MCS -51单片机串行口结构如图7 -7所示。它主要由两个数据缓冲寄存器和一个输入移位寄存器组成。 • MCS -51单片机串行口通过编程可设置4种工作方式，3种帧格式。上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • 方式0，以8位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。其帧格式如下: • 方式1，以to位数据为一帧传输，设有一个起始位“o”,8个数据位和一个停止位“1 ”其帧格式为: • 方式2和3，以11位数据为一帧传输，设有一个起始位“0" , 8个数据位，1个可编程位(第九位数据)D8和一个停止位“1"。其帧格式如下: 上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • 2.串行口控制寄存器 • SCON用于确定串行通道的工作方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志。其格式及功能如下: • (1)sMo和SM1:工作方式控制位，可构成以下4种工作方式: 上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • (2)SM2:在方式2和方式3中用于多机通信控制。 • (3)REN:允许串行接收控制位。 • (4)TB8:在方式2和方式3中，它是准备发送的第9个数据位。 • (5RB8:在方式2和方式3中，它是接收到的第9个数据位。 • (6)T1:发送中断标志位 • (7)RI:接收中断标志位 • 串行发送中断标志与接收中断标志是同一个中断源，在全双工通信时，必须用软件来判断是发送中断请求还是接收中断请求。 • 3.电源控制寄存器 • PCON是为了在CHMOS的80C51单片机上实现电源控制而设置的，其中只有一位SMOD与串行口工作有关。它的格式与功能如下: 上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • SMOD称为波特率选择位。 • 4.串行通信的工作方式 • 串行通信的工作方式包括: • (1)工作方式0 • 在方式0下，串行口作同步移位寄存器使用，其波特率为Fosc/12 ,即振荡器频率的1/12，固定不变。串行数据由RXD ( P3. 0)端输入或输出。同步移位脉冲由TXD ( P3.1)端送出。这种方式常用于扩展I/()口。上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • 发送时，当一个数据写人发送缓冲寄存器SBUF(99H)时，即启动发送。串行口把8位数据以Fosc/12的波特率从RXD送出，低位在前，高位在后，发送完置中断标志TI为“1” 。具体接线如图7一8所示，其中74HC164是“串入并出”移位寄存器。 • 接收时，REN是串行口允许接收控制位。具体接线如图7 -9所示，其中74HC165是“并入串出”移位寄存器。 • 串行控制寄存器中TB8和RB8位在方式0中未用。 • (2)工作方式1 • 在方式1下，串行口为10位通用异步接口。 • 发送时，数据从引脚TXD ( P3. 1)端出，当数据写入发送缓冲寄存器SBUF时，即启动发送器发送。当发送完一帧数据后，就把TI标志置“1"，并申请中断。上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • 接收时，由REN置“1”，允许接收。 • (3)工作方式 • 在方式2下，串行口为11位异步通信接口。 • 发送前，先根据通信协议由软件设置TB8(如作奇偶校验位或地址/数据指针标识位)，然后将要发送的数据写人SBUF即启动发送器。 • 发送过程是由执行任何一条以SBUF作为目的寄存器的指令而启动的。 • 接收时，由REN置“1”，允许接收，同时将RI清“0”。 • (4)工作方式3 • 方式3为波特率可变的11位异步通信方式。除波特率外，方式3和方式2完全相同。上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • 7. 2. 3串行通信的常用标准接口 • 1. RS -232C串行接口 • RS -232C是一种由美国EIA ( Electronic Industrial Associate)协会公布和推荐的电压控制的异步串行总线接口标准(Recommend Standard )。RS - 232 C主要定义了计算机系统的一些按位串行传输的数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的接口信息。RS - 232 C标准的信号传输的最大电缆长度为15米，最高数据传输速率为20 Kbit/ s。目前，已广泛应用于计算机与终端或外设之间的近端连接，适合于短距离或带调制解调器的通信场合。 • (1) RS -232C连接器及引脚定义上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • 目前，大部分计算机的RS - 232 C通信接口都使用了DB9连接器，如图7一10所示，主板的接口连接器有9根针输出(RS - 2犯公头)，也 • 有些比较旧的计算机使用DB25连接器输出，连接器外形如图7一11所示。 • (2)RS一232 C电气特性 • RS - 232 C不能直接与TTL电路连接，使用时必须加上适当的电平转换电路，否则将使TTL电路烧毁。 • (3)RS一232 C电平转换 • 由于TTL电平和RS一232 C电平互不兼容，所以两者对接时，必须进行电平转换。以美国MAXIM公司的产品MAX232为例。它是RS - 232 C双工发送器/接收器接口电路芯片，其外部引脚如图7一12所示。该芯片与TTL/CMOS电平兼容，使用比较方便。使用MAX232实现TTL/RS -2320之间的电平转换电路如图7一13所示。上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • (4)采用RS -2320接口存在的问题 • ①传输距离短，传输速率低 • ②有电平偏移 • ③抗干扰能力差 • 2. RS -422A接口 • 在现代网络通信中已暴露出明显的缺点:传输速率低、通信距离短、接口处信号容易产生串扰等。因此，EIA又制定了RS -422A标准。 • RS - 232 C既是一种电气标准，又是一种物理接口功能标准，而RS -422A仅仅是一种电气标准。PC机不带RS -422A接口，因此要使用RS -232/RS -422A转换器，把RS - 232 C接口转换成RS -422A接口。上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • (1)电气特性 • RS -422A与RS -232C的主要区别是，收发双方的信号地不再共地，RS一422A标准规定平衡驱动和差分接收的方法。 • 输入同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反相信号。当一个表示逻辑“1”时，另一条一定为逻辑“0”。 • RS一422 A能在长距离、高速率下传输数据。它的最大传输率为10Mbit/s，在此速率下，电缆允许长度为12 m，如果采用较低传输速率时，最大传输距离可达1200tno RS一422A电路由发送器、平 • 衡连接电缆、电缆终端负载、接收器四部分组成。 • (2)电平转换上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • TTL电平转换成RS一422 A电平的常用芯片:SN75174 , MC3487等。RS一422 A电平转换成TTL电平的常用芯片:SN75175 , MC3486等。 • 出的单片四差分驭动器和接收器，采用+SV电源供电。图7一15给出电平转换芯片SN75174,SN75175内部结构及引脚图。 • TTL电平与RS -422A电平转换电路如图7一16所示。 • 3. RS - 485串行接口 • (1)电气特性 • RS -485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑“1”和逻辑“0”，由于收发方需要两根传输线。数据采用差分传输，所以干扰抑制性好。 • 总线两端接匹配电阻(1000 SL左右)，驱动器负载为54 Ω o 上一页下一页返回

7. 2 理论基础 • (2)电平转换 • 在RS -422A标准中所用的驭动器和接收器芯片，在RS - 485中均可以使用。RS一485点对点远程通信电路如图7一17所示。 • 4. 20mA电流环串行接口 • 该接口要比RS -232C接口简单的多，它只有4根线:发送正、发送负、接收正和接收负，四根线组成一个输入电流回路、一个输出电流回路。 • 当发送数据时，根据数据的逻辑“1”“0”，有规律的使回路形成通、断状态，即环路中无电流表示逻辑“0”，有20mA电流表示逻辑“1” 。 • 工作原理如图7一18所示。 • 20mA电流环串行通信接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，且易实现光电隔离。 • 图7-19是一个由集成芯片构成的20mA电流环接口线路图。上一页返回

7. 3 工作过程 • 7. 3. 1构思 • 学生查阅该项目相关资料，如教材、参考书目、图书、网络资源等，收集双机通信的信息，包括单片机双机通信的应用场合、系统的发展现状、双机通信的应用技术要求等;教师采用多媒体课件讲授该项目理论知识相关内容，为学生制作双机通信系统奠定理论基础;教师带领学生走访、参观单片机工作现场，通过观看、提问获取单片机实际应用的知识，通过与指导教师和单片机工作人员交谈，解决该项目设计和制作的疑难问题。最终完成学生工作页(表7-2)的填写。 • 7. 3. 2设计 • 1.单片机选型 • 2.电源、时钟电路和复位电路下一页返回

7. 3 工作过程 • 3.双机通信硬件接口设计 • 目前我们的温度测控系统中两片单片机之间距离很近，因此选择三线制接法.如图7一20所示。 • 4.系统硬件电路图 • 根据以上设计思路，设计出系统的硬件电路图，如图7 -21所示。 • 5.软件程序设计 • 该项目的程序流程图如图7 - 22所示。 • 6.系统仿真 • 系统仿真电路图如图7一23所示。 • 7.3.3项目实施 • 1.制作双机通信系统的电路板上一页下一页返回

7. 3 工作过程 • 所需元件清单，如表7一3所示。 • 焊接完成后，要进行硬件电路的测试。 • ①测试单片机的电源和地是否正确连接; • ②测试单片机的时钟电路和复位电路是否正常; • ③测试EA引脚是否与电源相连; • ④测试LED数码管动态显示电路是否正确; • ⑤测试下载口界限是否正确。 • 小组反复讨论、分析并调试好单片机系统的硬件。 • 2.联机调试上一页下一页返回

7. 3 工作过程 • 7. 3. 4项目评价 • 以教师为主，通过教师评价、学生自评、学生互评、成果评定等四个方面对学生的项目完成情况进行综合评价;同时对项目报告进行评价;按项目的技术指标进行评价;对实施记录和实训报告进行评价;以及对学生的学习态度、工作态度、团结协作精神、出勤率、敬业爱岗和职业道德进行评价。以专兼教师为主，按以下几个方面对学生完成项目的整个过程进行评价，项目考核具体内容见表7 -4所示。上一页返回

7. 4 能力拓展 • 1.多台单片机之间的通信连接方式 • 80051的方式2和方式3具有多机通信的功能。这一功能使它可以方便地应用于集散式分布系统中。这种系统采用一台主机与多台从机构成主从总线式多机系统，其连接方式如图7一24所示。 • 多机通信的实现，主要靠主、从机之间正确地设置与判断多机通信控制位SM2及发送或接收的第9数据位(D8)。 • 通信只能在主从机之间进行，从机之间的通信只有经主机才能实现。多机之间的通信过程可归纳如下: • ①主、从机均初始化为方式2或方式3，置SM2 =1，允许中断; • ②主机置TB8 = 1，发送要寻址的从机地址; • ③所有从机均接收主机发送的地址，并进行地址比较; 下一页返回

7. 4 能力拓展 • ④被寻址的从机确认地址后，置本机SM2 -0，向主机返回地址，供主机核对; • ⑤核对无误后，主机向被寻址的从机发送命令，通知从机接收或发送数据; • ⑥通信只能在主、从机之间进行，两从机之间通信要通过主机作中介; • ⑦本次通信结束后，主、从机重置SM2 =1，主机可再对其他从机寻址。 • 2.单片机与PC机之间的通信 • 在实际应用中，因为单片机功能有限，因而在较大的测控系统中，常常把单片机应用系统作为前端机(也称为下位机或从机)，直接用于控制对象的数据采集与控制，而把PC机作为中央处理机(也称为上位机或主机)，用于数据处理和对下位机的监控管理。上一页下一页返回

7. 4 能力拓展 • 它们之间的信息交换主要是采用串行通信，此时单片机可直接利用其串行接口，而PC机可利用其标准的RS -2320总线接口。 • 图7一25为采用MAX202芯片实现80 C51单片机与RS一232通信标准电平转换的连接框图。 • PC机与单片机之间进行通信时，也要考虑通信协议的问题，双方应共同约定通信的波特率、数据通信格式、控制命令字和状态字格式等等。 • 3. PC机与多个MCS - 51单片机的串行通信接口(如图7 - 26所示) • 1台PC机与数台51单片机进行多机通信的RS - 485串行通信接口电路如图7 - 27所示。上一页下一页返回

7. 4 能力拓展 • 4.单片机与PC机的通信 • 在工控系统(尤其是多点现场工控系统)设计实践中，单片机与PC机组合构成分布式控制系统是一个重要的发展方向，如图7 -28所示。分布式系统主从管理，层层控制。上一页返回

图7一1 并行通信示煮图 返回

图7 -2 串行诵信示煮图 返回

图7 -3 串行通信传输方式示意图 (a)单工;(b)半双工;(c) 全双工返回

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