畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]RS485的單片機(jī)多機(jī)通信模型.doc

1畢業(yè)論文題目基于RS485的單片機(jī)多機(jī)通信模型專業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)班級(jí)06151學(xué)生姓名指導(dǎo)教師答辯日期2摘要在多機(jī)通信領(lǐng)域由于單片機(jī)具有靈活高效的多機(jī)通信功能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但由于單片機(jī)的收發(fā)信號(hào)都是TTI電平，驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾性有限，實(shí)用中常配合其它總線實(shí)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(yuǎn)可傳輸4000m，可互聯(lián)多達(dá)128個(gè)單片機(jī)，非常適臺(tái)組成多機(jī)通信系統(tǒng)。在多機(jī)通信中，最重要的是保證通信有條不紊地進(jìn)行，因此需要嚴(yán)格的通信協(xié)議和完善的通信軟件，本文將重點(diǎn)介紹應(yīng)用于某大型工程的單片機(jī)多機(jī)通信協(xié)議和通信軟件的設(shè)計(jì)方法。本文介紹一種利用單片機(jī)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(qū)動(dòng)器如MAX481、MAX483、MAX485、MAX487等組合成簡(jiǎn)單的RS485通訊網(wǎng)絡(luò)，完成單片機(jī)間的多機(jī)通訊。關(guān)鍵詞:單片機(jī)；串行通信；RS485總線：多機(jī)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(shuō).第3章硬件設(shè)計(jì)及原理.3.180C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu).3.2最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).3.3總線驅(qū)動(dòng)芯片.第4章系統(tǒng)問(wèn)題及其解決.4.1通信規(guī)則.4.2可靠性及常見(jiàn)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(hù).4.7地線與接地.4.8電磁干擾（EMI）問(wèn)題.4.9瞬態(tài)保護(hù).第5章軟件設(shè)計(jì).5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu).5.2通信協(xié)議.5.3通信軟件設(shè)計(jì).第6章程序設(shè)計(jì).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(lái)實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。同時(shí)，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(shí)傳輸距離可達(dá)12m，而用100Kbps時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。另外RS-485實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)互連，最多可達(dá)256臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和256臺(tái)接收器，非常便于多器件的連接。不僅可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信，而且可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列中的80C51單片機(jī)。以80C51為控制核心，利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車(chē)的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車(chē)，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡和尋光功能。80C51是一款八位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。它是第三代單片機(jī)的代表。第三代單片機(jī)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(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)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(jì)數(shù)器陣列)WDT(監(jiān)視定時(shí)器)高速I(mǎi)/O口計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機(jī)中，在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機(jī)80C51系列8C592單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線-CAN(ControllerAreaNetworkBUS).新一代單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展與配置打下了良好的基礎(chǔ)。5第2章總體介紹2.1總體說(shuō)系統(tǒng)組成：菲利浦公司研發(fā)的LPC900系列單片機(jī)是一個(gè)基于80C51內(nèi)核的高速、低功耗Flash單片機(jī),主要集成了字節(jié)方式的I2C總線、SPI接口、UART通信接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、E2PROM、A/D轉(zhuǎn)換器、ISP/IAP在線編程和遠(yuǎn)程編程方式等一系列有特色的功能部件。本文中系統(tǒng)構(gòu)成使用了P89LPC932單片機(jī)。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(chǎng)合。它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行時(shí)間只需要2-4個(gè)時(shí)鐘周期,6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。Rs485RS485通信方式RS485標(biāo)準(zhǔn)是由EIA(電子工業(yè)協(xié)會(huì))和TIA(通訊工業(yè)協(xié)會(huì))共同制訂和開(kāi)發(fā)的。RS485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范,已成為業(yè)界最廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。理論上,RS485標(biāo)準(zhǔn)最多接入32個(gè)設(shè)備(受芯片驅(qū)動(dòng)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(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體,平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比,只有在20Kbps的傳輸速率下,才可能達(dá)到最大傳輸距離。一般15米長(zhǎng)的雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。不過(guò)對(duì)于速率要求不是很高的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。單片機(jī)單片機(jī)部分:P89LPC932芯片具有功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn),操作電壓范圍為24V-36V,I/O口可承受5V(可上拉或驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘頻率可高達(dá)#?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(nèi),通過(guò)增加一個(gè)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(hào),因此信號(hào)需與前面模擬信號(hào)隔離,采用TLP521芯片進(jìn)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(guò)5k則會(huì)由于電流過(guò)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(shí)刻,總線上只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài),而其余節(jié)點(diǎn)均處于接收狀態(tài),如果同一時(shí)刻有兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)將導(dǎo)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(jī)I/O口P16用來(lái)控制收發(fā)狀態(tài)。SP3485驅(qū)動(dòng)器可允許在同一串行總線上連接32個(gè)收發(fā)器軟件編程P89LPC932芯片有增強(qiáng)的UART模塊,他有多種工作模式,其中模式2和模式3有一個(gè)專門(mén)的應(yīng)用領(lǐng),即多機(jī)通信。通過(guò)對(duì)串口控制寄存器SCON中SM1和SM2位的設(shè)置來(lái)選擇相應(yīng)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(gè)起始位0,數(shù)據(jù)位,1個(gè)可編程的第9位數(shù)據(jù)及1個(gè)停止位)。當(dāng)且僅當(dāng)產(chǎn)生最后一位移位脈6沖時(shí)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(huì)被裝入SBUF和RB8,并置位RI。上述兩個(gè)條件任何一個(gè)不滿足,所接收到的數(shù)據(jù)幀都會(huì)丟失,并且無(wú)法恢復(fù)。兩個(gè)條件都滿足時(shí),接收到的第9位數(shù)就進(jìn)入RB8,而前8位數(shù)據(jù)則進(jìn)入SBUF,并且RI置位。在此模式下,UART可編程為:接收到停止位時(shí),僅當(dāng)RB8=1時(shí)串口中斷才激活?？赏ㄟ^(guò)置位SCON的SM2位來(lái)使能這一特性。本系統(tǒng)中的使用方法如下:當(dāng)主機(jī)需要發(fā)送一數(shù)據(jù)塊給某一臺(tái)從機(jī)時(shí)(從。機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至主機(jī)的原理與此相同),首先發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)以識(shí)別目標(biāo)從機(jī)。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(shí),數(shù)據(jù)字節(jié)不會(huì)使從機(jī)產(chǎn)生中斷,而地址字節(jié)則會(huì)使所有從機(jī)都產(chǎn)生中斷,這樣每個(gè)從機(jī)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(jī)將清零SM2位以準(zhǔn)備接收隨后的數(shù)據(jù)字節(jié)。未被尋址的從機(jī)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(shí)序不紊亂,程序中采用中斷方式接收串口數(shù)據(jù)時(shí)未加入來(lái)回發(fā)送數(shù)據(jù)確認(rèn)地址的功能,否則接收的過(guò)程中需要再將狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送會(huì)顯得比較亂。因此,考慮到RS485可靠通訊的速率和距離的關(guān)系,在9600bps的傳輸速率下,通訊距離不要超過(guò)100m。第3章硬件設(shè)計(jì)及原理一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時(shí)/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shè)備，如鍵盤(pán)顯示器打印機(jī)A/DD/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。3.180C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)80C51單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)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(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)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(jī)中有一個(gè)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(yùn)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(jìn)行位變量的處理。3.1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。3.1.3程序存儲(chǔ)器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)7器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)。3.1.4中斷系統(tǒng)具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。3.1.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。3.1.6串行口1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來(lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。2.1.7P1口、P2口、P3口、P4口為4個(gè)并行8位I/O口。2.1.8特殊功能寄存器共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。由上可見(jiàn)，80C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。特別值得一提的是該單片機(jī)CPU中的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的1位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機(jī)在開(kāi)關(guān)決策、邏輯電路仿真、過(guò)程控制方面非常有效；而8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。MCS-51單片機(jī)中8位機(jī)和1位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破，這也是MCS-51單片機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。3.2最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。用80C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖3.180C51單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)：(1)有可供用戶使用的大量I/O口線。(2)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。(3)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。8圖3.180C51單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.1、時(shí)鐘電路80C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。80C51單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)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(wú)嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)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(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)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(yīng)采用NPO電容。3.2.2、復(fù)位電路80C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用6MHZ時(shí)C取22uF,R取1K。9除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過(guò)RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路見(jiàn)圖3.2。時(shí)鐘頻率選用6MHZ時(shí)，C取22uF,Rs取200，RK取1K。圖3.280C51復(fù)位電路3.3總線驅(qū)動(dòng)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(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。MAX483、MAX487、MAX488以及MAX489具有限擺率驅(qū)動(dòng)器，可以減小EMI，并降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實(shí)現(xiàn)最高250kbps的無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1