PC机与单片机多机如何互通?这些方法拿走不谢

电子设计 2018-01-11 07:27 次阅读

为了实现PC机与多个单片机的互相通信,特别是多个单片机都需要向PC机传输数据时,课题组采用“点名式”的总线控制方式。单片机在得到PC机发送的“点名”指令后,开始控制总线,向PC机传输数据。传输数据结束后,通知PC机并退出总线控制,PC机再逐个往后发送“点名”指令。根据这种思路,搭建了相应的电路,经过不断的实验、调试和改进,构建的系统工作稳定、可靠。“点名式”的多机互通方式非常适合于需要多单片机向PC机传送数据的场合,具有较高的实用价值。

0 引言

PC 机与单片机组成的主从系统很常见,在很多领域中都得到了应用。在这些系统中,PC 机与单片机之间一般采用串行通信方式,按照一定的格式,进行数据、指令的交换,完成PC机对单片机的控制、数据前送,或者单片机上数据、状态等信息的回送。

当单片机数量较多时,比较容易实现PC 机对所有单片机的控制。一般在这种情况下,采用广播的方式。

所有单片机都挂在一条串行数据总线上,只需对单片机进行地址编码,PC机将地址数据和控制报文进行广播,单片机接收广播数据后进行地址比对,筛选出所需的数据,完成相应的数据传送。

如果PC 机要对单片机多机进行广播,并回传所有单片机的信息,即单片机还要发送数据至PC机,再加上单片机数量较多(大于100 个单片机),则要实现PC 机与单片机多机的互相通信,难度是比较大的。

本文提出了一种切实可行的方法,通过实际电路搭建和调试,实现了PC机与单片机多机的互相通信,达到了预定的目标,使该系统具有如下功能:

(1)PC机可以对所有100多个单片机进行控制,根据需要,发送不同控制字到达每个单片机;

(2)PC机对单片机的状态修改是随机的、没有规律的;

(3)所有单片机将自身的一些状态信息按照顺序回传至PC机。

1 互通信的几种实现方法

PC 机至多个单片机的广播比较简单,难度较大的是多个单片机发送数据至PC机。由于100多个单片机均挂在一个数据总线上,系统设计的难点就在于数据总线控制权的传递,绝对不能出现有2个或者2个以上设备同时向总线上发送数据。系统设计之初,考虑了两种总线控制方式有接力式和点名式:

(1)接力式总线控制方式

这种控制方式的基本思路是:初始化后,所有单片机在接收完PC机数据后,处于串行接收状态,不占用总线控制权。PC机发出回送开始指令,第1个单片机响应该指令,并立即占有总线控制权,向总线上的PC机发送数据,数据发送完成后,紧接着第1个单片机发送控制指令,通知第2个单片机,同时第1个单片机退出总线控制权,处于接收状态;第2个单片机接收到第1个单片机的开始指令后,和前面第1个单片机一样,开始向总线上发送数据,并在结束传送之后通知第3个单片机,如此这般,不断接力传输,轮流控制总线,直至最后一个单片机完成数据传送。在单片机控制总线,进行回传的过程中,如果要通过PC机向某个或者某些单片机传送数据时,PC机软件会自动将这些数据存储下来,等到最后一个单片机接收向PC机送数据之后,PC机再占用数据总线,开始向单片机传送数据。

(2)点名式总线控制方式

该控制方式与接力式控制方式大体相同,不同的是这种控制方式需要等待PC 机点名指令。系统初始化后,单片机接收PC机指令、数据之后,PC机发送点名指令,让第1个单片机开始传送数据,第1个单片机接收该指令后,立即占用总线,开始传送数据,传送结束后,发送结束指令至PC 机,PC 机在接收该结束指令后,立即占用总线,再发送点名指令,让第2个单片机开始传送数据,如此不断动作,直至最后一个单片机结束传送。

在单片机传送数据时,如果PC 机要送数据至单片机,可以在接收完某个单片机数据之后,暂停发送点名指令,直接发送数据至某个或者某些单片机。待数据发送完成后,继续接上原先的中断的点名顺序号,继续向后点名、传送数据。综合考虑这两种总线控制方式,不难发现,由于没有来回传递点名的指令时间开销,接力式的传输效率会略高于点名式,所以,一开始还是采用了接力式的控制方式。

但是在进行大的系统联调时,问题出现了。由于接力式脱离PC机的过程干预,一旦出现某个单片机程序跑飞、死机时,整个程序就没法进行下去,一直处于等待状态,整个系统就瘫痪了。调试过程中出现过好几次死机的情况。最后,不得不回头修改总体方案,采用点名式的控制方式。如果中间某个单片机出现异常,没有按照预定的程序回传数据,则PC机就可以判断该单片机死机,在经历过一段等待时间后,自行跳过该单片机,点名下一个单片机,继续后续的回传和程序。如果该故障单片机还在占用总线,影响下一个单片机的工作,则对单片机公用的复位端发送一个整体复位信号,让所有单片机复位。经过重新调整方案后,经过长时间运行,均没有出现整机死机的状况,总体运行情况良好。另外,这种控制方式还有其他两种控制方式所不具有的优势:

可以随时打断回传,几乎实时发送新的指令到某个或者某些单片机上,该功能是非常实用的。

2 系统的硬件构成

根据系统的总体要求,构建了如图1所示的硬件平台。

整个系统采用RS 485 总线结构,RS 485 为差分平衡数字通信方式,具有较强的抗干扰能力,广泛应用于远距离数字通信。RS 485和RS 422A总线最大的区别是RS 485 可以单工双向传输,而RS 422A 只能单向传输数据,在本系统由于存在大量单片机,如果使用RS 422A,电缆会增加一倍。另外,由于标准的RS 485链路只可以连接32个设备,故每个转换器上要增加驱动器。目前PC 机上已经很难找到串口了,故PC 机与RS 485 总线之间采用PL2303 芯片进行桥接。PL2303为Prolific 公司产品,可以很方便地将USB 接口转换成标准RS 232 电平,用户根本不用关心复杂的USB 协议和规范,在PC端的软件编程中,只需像标准com口一样使用USB口,因为Prolific公司提供的驱动中,已经将该USB 口模拟成了一个标准的com 口了。该芯片最高速度可以达到115 200 b/s,极大地方便了普通串行通信与PC机的连通。复位监视与读写转换电路也是一个单片机,不过该单片机只完成两个功能。一个是就是接收RS 485 总线前的PC 机TXD(RS 232 端的TXD)发出信号,一旦出现PC机发出的全局复位串行代码后,立即产生一个全局复位信号,将所有单片机进行复位。该功能就是为了防止某个单片机出现故障,一直意外占用总线,导致整个系统瘫痪。

为了实现RS 485 的半双工通信,必须有一个方向切换控制信号,如图2所示。在单片机端,这个控制信号很容易获得,引出一个I/O脚,即可在单片机程序中控制该信号的切换;但是PC机端的RS 485的切换就相对比较麻烦,这也是复位监视与读写转换电路完成的另外一个重要功能:读写转换。如果PC机要占用RS 485总线,则发送一个特定的串行码,该专用单片机接收并响应该串行码,切换RS 485控制器,开始占用485总线并发送数据,如果PC机结束发送数据,则要同时发送一个特定的串行码,通知该专用单片机,进行相应的RS 485切换。单片机及其附属电路组成了相关的功能电路。

主单片机采用了Silicon公司的8051F020型增强型单片机。该单片机最大的优势是内部集成的模拟电路功能较为强大、单片机运行速度快、程序编写-烧写-仿真较为方便。

3 系统的软件构成

软件分为3个部分:PC机上位机程序、单片机通用程序和专用单片机程序。专用单片机的程序运行在复位监视与读写转换电路中,该程序较为简单,就是在上电后,一直按照约定的波特率和数据格式接收PC机送出的串行数据,若得到的数据符合约定的复位格式,则送出复位信号;若接收到的数据符合总线切换的格式,则送出相应的切换信号。PC 机上位机程序比较复杂,可以根据用户的实际需要,编写相关的应用程序。在本文中,采用Delphi编写了应用程序,实现了对单片机群的参数设置、状态调整、信息反馈和系统控制。

单片机通用程序分别运行在100多个单片机上,是实现系统功能的基础。图3为单片机程序流程图。

单片机初始化后,接收PC机送来的初始指令,然后开始运行主程序,执行单片机的主功能。同时开放串行接收中断,一旦接收到PC机发来的指令,就进行对比判断,如果是PC 机对自己的点名,则响应PC 机的回送指令,开始占用总线,向PC机传送数据,结束后向PC机发送结束状态字,结束占用总线,回到主程序,同时等待接收串行数据。

4 结语

经过大量试验,课题组应用点名式总线控制方式,成功解决了PC机与大量单片机的双向互通问题,实现了100 多个单片机与主控PC 机之间的互通信,达到了设计要求。电路经过长时间运行,实际情况表明,该系统运行稳定、控制灵活、可靠性高,采用的点名式总线控制方式具有很好的实用价值。

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