基于單片機多機通信的交通燈控制網(wǎng)絡設計

摘要：文章分析了MCS-51系列單片機利用串行口進行多機通信的基本原理，對利用單片機多機通信方式實現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化控制進行了研究，設計了硬件電路圖及主、從機程序，并在Proteus軟件上進行了仿真運行。
關鍵詞：單片機；多機通信；交通燈系統(tǒng)；控制網(wǎng)絡

    由于微機技術的飛速發(fā)展和控制系統(tǒng)的復雜化，多機通信的應用越來越廣泛，特別在一些對工業(yè)過程的控制中，多機通信已經(jīng)成為通信控制領域的主流通信方式。
    本文針對目前單片機書籍(包括教材)很少介紹多機通信的實現(xiàn)技術的情況，在交通燈控制系統(tǒng)的基礎上設計了一個交通燈控制網(wǎng)絡系統(tǒng)，以此為實例給出了單片機多機通信的解決方案。

1 單片機多機通信的基本原理
    計算機之間的通信除了點對點通信外，還有一機對多機或多機之間的通信，構成計算機網(wǎng)絡，其中主從式多機通信是比較常用的一種方式。在主從式多機通信系統(tǒng)中，只有一臺主機，但可以有多臺從機。主機發(fā)送的信息可以傳送到各個從機或指定從機，從機發(fā)送的信息只能為主機所接收，各從機之間不能直接通信。主機通常由PC機擔任，也可用單片機擔當(本文研究的是用單片機作主機)，從機通常為單片機。  MCS-51單片機串行口的方式2和方式3具有多機通信功能，可實現(xiàn)一臺主機和若干臺從機構成總線式的多機分布式系統(tǒng)，其連接方式如圖1所示。

    在多機通信中，可充分利用MCS-51單片機的多機通信控制位SM2。用作主機的單片機的SM2應設定為0，作從機的SM2設定為1。主機發(fā)送并為從機接收的數(shù)據(jù)有兩類：一類是地址，用于指示需要和主機通信的從機的地址，由串行數(shù)據(jù)第9位為“1”標志；另一類是數(shù)據(jù)，由串行數(shù)據(jù)第9位為“0”標志。由于所有從機的SM2=1，故每個從機總能在RI=0時收到主機發(fā)來的地址(因為串行數(shù)據(jù)第9位為“1”)，并進入各自的中斷服務程序。在中斷服務程序中，每臺從機把接收到的從機地址和它的本機地址(系統(tǒng)設計時分配)進行比較。所有比較不相等的從機均從各自的中斷服務程序中退出(SM2仍為1)，只有比較地址相等的從機才是被主機尋址通信的從機。被尋址從機在程序中使SM2=0，以便接收隨之而來的數(shù)據(jù)或命令(RB8=0)。上述過程進一步歸結如下：
    (1)主機的SM2=0，所有從機的SM2=1，都處于監(jiān)聽狀態(tài)(只能接收地址幀)，以便接收主機發(fā)來的地址。
    (2)主機給從機發(fā)送一幀地址信息時，其中的8位是地址，第9位為1表示是地址幀。
    (3)所有從機在SM2=1、RB8=1且RI=0時，接收到主機發(fā)來的從機地址幀后，進行中斷處理，進入相應的中斷服務程序，并和本機地址進行比較以確認是否為被尋址從機。
    (4)被尋址的從機通過指令清除SM2，使SM2=0進入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，可以接收主機隨后發(fā)送的數(shù)據(jù)(包括命令)，并向主機發(fā)回接收到的從機地址作為響應信號，供主機核對，實現(xiàn)主機與被尋址從機的雙機通信；未被尋址從機保持SM2=1，并退出中斷服務程序。
    (5)完成主機和被尋址從機之間的數(shù)據(jù)通信，被尋址從機在通信完成后重新使SM2=1，并退出中斷服務程序，恢復到監(jiān)聽狀態(tài)，等待下次通信。

2 交通燈控制網(wǎng)絡硬件電路設計
2．1 硬件電路
    城市交通控制系統(tǒng)是一個聯(lián)動的系統(tǒng)，所有路口的交通燈控制系統(tǒng)由一臺中心主機控制，當某一路口將出現(xiàn)緊急情況時(如交通管制、交通堵塞、路段維修等)，單擊中心主機的對應按鈕即可使該路口的所有紅燈亮，禁止所有普通車輛通行。本文利用Proteus軟件仿真設計了
一臺主機控制兩臺從機的主從式多機系統(tǒng)，實施時可以擴展到253臺主機，硬件電路如圖2所示。單片機U1為主機，U2、U3為從機，代表兩個路口的控制機，S1、S2為按鈕，分別與U1的P1．1、P1．0連接，當按下時分別控制兩個路口的交通信號燈為所有紅燈亮，表示該路口出現(xiàn)緊急情況。與主機U1相連的兩個BCD數(shù)碼管用于顯示從機接收到的響應幀，即出現(xiàn)緊急情況的路口地址號，如果接收到的響應幀傳送出現(xiàn)錯誤，與主機發(fā)出的地址號不同時，這兩個數(shù)碼管顯示FF，當S1和S2沒有按下時，這兩個數(shù)碼管也顯示FF。

    由于串行口通信時傳輸?shù)?ldquo;0”或者“1”是通過相對于“地”的電壓區(qū)分的，因此使用串行口通信時，必須將主、從機的“地”線相連以使其具有相同的電壓參考點。
2．2 通信協(xié)議
    多機通信是一個復雜的通信過程，必須有通信協(xié)議來保證多機通信的可操作性和操作秩序，實現(xiàn)收／發(fā)雙方的響應與協(xié)調(diào)。這些通信協(xié)議，至少應包括從機的地址、主機的控制命令、從機的響應幀格式和數(shù)據(jù)通信格式等的約定，本文建立交通燈控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信協(xié)議如表1
所示。

3 軟件程序的設計
3．1 主機程序設計
    主機主要負責呼叫從機，發(fā)送控制命令以及從機響應幀的接收，數(shù)據(jù)的顯示等功能。為了保證主、從機之間握手的成功，主機采用查詢方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，串行口的工作方式設置為方式2，SMOD=0。其流程圖如圖3所示。
   
  

3．2 從機程序設計
    從機循環(huán)運行交通燈控制程序，交通燈控制程序利用定時器／計數(shù)器0實現(xiàn)定時，為了能正常和主機通信，從機的串行口也工作于方式2，SMOD=0，以保持和主機相同的波特率。由于主機呼叫從機時發(fā)送的地址幀與命令幀沒有重復，為了使程序簡單，本文針對從機接收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)后不通過第九位數(shù)據(jù)來判斷是地址幀還是命令幀。對接收到的數(shù)據(jù)如果與本機地址相等則表明是地址幀，立即向主機發(fā)送自己的地址作為響應信號；如果是命令則按命令執(zhí)行相關操作(所有路口紅機亮或恢復交通燈信號)；如果既不與本機地址相等也不是兩個命令之一，則認為該數(shù)據(jù)不是發(fā)送給本機的，該機繼續(xù)監(jiān)聽，從機U2串行口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務程序清單如下：

   

4 結束語
    單片機利用串行口進行多機通信是一個比較復雜的過程，因此大多數(shù)單片機書籍沒有對這方面的內(nèi)容進行介紹，或者沒有提供實例，本文對MCS-51單片機的多機通信進行一定的探討，利用單片機多機通信對城市交通燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡化集中控制，是一個很好的實例，通過Proteus仿真運行(其運行情況如圖3所示)，此方案切實可行。