單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究

概 述

單片機(jī)在當(dāng)今的儀表及工業(yè)測(cè)控設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛。其功能強(qiáng)大、外圍接口電路簡(jiǎn)單，在構(gòu)成分布式系統(tǒng)時(shí)，其優(yōu)越性更顯突出。在分布式系統(tǒng)中，分機(jī)常采用多機(jī)通信方式，由于RS-485（以下簡(jiǎn)稱485）通信接口的傳輸距離遠(yuǎn)，連線少，所以被認(rèn)為是一種很好的通信模式。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，若使用不當(dāng)，485接口會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題：首先是器件經(jīng)常損壞，有時(shí)對(duì)電源進(jìn)行幾次連續(xù)的開(kāi)關(guān)機(jī)操作之后，通信電路就會(huì)失控；再有，在通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常出現(xiàn)誤碼，而且誤碼率很高。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，有兩次記錄可以證明這一點(diǎn)，記錄如表1所列。

表1 調(diào)試記錄

一、 硬件分析

首先分析通信電路失控的原因。系統(tǒng)在上電復(fù)位階段，所有485芯片都處于輸出狀態(tài)，而且只有其中某一臺(tái)分機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)。以這臺(tái)分機(jī)輸出口的狀態(tài)為例進(jìn)行分析，如圖1所示。A、B為485接口的兩只引腳，圖1(圖1a)中的A1~An為高電平，B1~Bn為低電平；而A 為低電平，B為高電平，其中一個(gè)分支的等效電路如圖1（b）所示。由于每個(gè)出口電路的電阻取值相同，都取22Ω，則C點(diǎn)電位接近An點(diǎn)電位。分機(jī)數(shù)量越大，兩點(diǎn)電位就越接近。485芯片為差動(dòng)輸出方式，同時(shí)有拉電流和灌電流存在，電流I=U/R。由于電流I的存在，使485的差動(dòng)輸出端各有0.3V的電壓降。485芯片由輸出口造成的功率損耗為P=2IU0=2（U/R）×0.3=0.6U/R。
    U=5-0.3×2=4.4V
    R=22Ω
    I=U/R=4.4V/22Ω=0.2A
    P=0.6×0.2=0.12W=120mW

由于功耗P與485芯片的耗散功率接近，所以485芯片經(jīng)常有損壞的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，只有降低485芯片的功率損耗。由功耗P的計(jì)算公式可知，由于電壓一定，只有增大R值，才能減小功耗P。又因?yàn)樵谡顟B(tài)下，485芯片的接收端處于差動(dòng)輸入狀態(tài)，這時(shí)，起發(fā)送作用的485芯片的輸出端除了導(dǎo)線的分布電容，再無(wú)其它負(fù)載，而在485芯片輸出相位切換時(shí)刻，可將分布電容看作是AB線短路，則I=U/（2R）。從工程應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得出， 20mA電流環(huán)，可使通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

由I=U/（2R）得
    R=U/2I=4.4/(20×2)=0.11kΩ=110Ω

在實(shí)際應(yīng)用中，R選用100Ω電阻，經(jīng)過(guò)這樣處理之后， 485芯片再也沒(méi)有出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。

以上分析是針對(duì)主、分機(jī)采用同一電源的對(duì)于各自獨(dú)立電源供電的通信網(wǎng)絡(luò)，485輸出口的狀態(tài)最后仍然等效成如圖1(b)所示電路。

在主機(jī)通信口由輸出轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)時(shí)，分機(jī)還沒(méi)有接管通信總線，這時(shí)通信線處于懸浮狀態(tài)，極易拾取噪聲。分機(jī)與主機(jī)采用同組電源時(shí)，其噪聲幅度與信號(hào)幅度接近，如圖2（a）所示；當(dāng)分機(jī)采用各自獨(dú)立電源時(shí)，其噪聲幅度大于2倍信號(hào)幅度，如圖2（b）所示。

二、 通信協(xié)議的影響

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，每組數(shù)據(jù)都包含著特殊的意義，這就是通信協(xié)議。主、分機(jī)之間必須要有協(xié)議，這個(gè)協(xié)議是以通信數(shù)據(jù)的正確性為前提的，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否又完全決定于傳輸途徑，即傳輸線。也就是說(shuō)保證傳輸線狀態(tài)穩(wěn)定與通信協(xié)議有直接聯(lián)系。

在主從式通信系統(tǒng)中，把數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程劃分成幾個(gè)階段來(lái)分析，如圖（3）所示。在圖3a中，t0~t1為主機(jī)向分機(jī)發(fā)送命令時(shí)間。在t1時(shí)刻，主機(jī)將差動(dòng)輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換成輸入狀態(tài)。在圖3（b）中，t2之后的時(shí)間為分機(jī)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)階段，分機(jī)由輸入狀態(tài)變成輸出狀態(tài)。由于單片機(jī)多機(jī)通信大多采用異步串行方式，所以發(fā)送數(shù)據(jù)后的TI置位和接收機(jī)RI的置位時(shí)間有一段時(shí)間差，而且接收機(jī)在轉(zhuǎn)換到輸出狀態(tài)前要有一段圖3圖4數(shù)據(jù)處理時(shí)間，這兩段時(shí)間加起來(lái)不可忽視。在圖3（c）中，t1~t2即為這段時(shí)間，這時(shí)串行通信總線處于懸浮狀態(tài)，極易拾取空間干擾信號(hào)，這時(shí)主機(jī)與另外的分機(jī)可能會(huì)同時(shí)得到一個(gè)無(wú)規(guī)則的數(shù)據(jù)，對(duì)分機(jī)而言可能是錯(cuò)誤指令，造成錯(cuò)誤反應(yīng)。為此，在通信協(xié)議中加入延時(shí)階段，來(lái)解決此問(wèn)題。如圖4所示：在圖4（a）中，t1~t3為延時(shí)階段；在圖 4（b）中t2~t4為分機(jī)的延時(shí)階段；圖4（c）中，t1~t2為分機(jī)的反應(yīng)時(shí)間。延時(shí)時(shí)間T的大小可按分機(jī)接到主機(jī)命令后的最長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間的2倍來(lái)計(jì)算。

延時(shí)階段的作用可用圖4（c）來(lái)分析。在圖4（c）中，主機(jī)控制數(shù)據(jù)總線的時(shí)間由t1延長(zhǎng)到t3，分機(jī)的反應(yīng)時(shí)刻為t2，但分機(jī)有效數(shù)據(jù)從延時(shí)后的 t4時(shí)刻開(kāi)始，這樣在通信總線上有主機(jī)和某臺(tái)分機(jī)同時(shí)控制的一段時(shí)間即t2~t3的時(shí)間段。由于主機(jī)和分機(jī)對(duì)總線控制的方向相同，所以不會(huì)對(duì)這兩臺(tái)機(jī)器的硬件造成影響，而且在t1~t2階段，總線一直處于低阻狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生噪聲，所以總線的抗干擾能力也加強(qiáng)了，提高了通信的穩(wěn)定性。

三、 通信協(xié)議框圖

通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖5所示。

結(jié)束語(yǔ)

多機(jī)通信系統(tǒng)通信穩(wěn)定性還與各個(gè)分機(jī)的狀態(tài)有關(guān)。無(wú)論是軟件還是硬件，一旦某臺(tái)分機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能造成整個(gè)系統(tǒng)混亂。故障出現(xiàn)時(shí)，有兩種可能現(xiàn)象發(fā)生：其一是故障分機(jī)的485口被固定為輸出狀態(tài)，通信總線硬件電路被鉗位，信號(hào)無(wú)法傳輸；其二是故障分機(jī)的485口被固定為輸入狀態(tài)，在主機(jī)呼叫該號(hào)分機(jī)時(shí)，通信線路仍然有懸浮狀態(tài)，還會(huì)出現(xiàn)噪聲信號(hào)。所以，在系統(tǒng)使用過(guò)程中，注意對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法已在錦州消防安全儀器總廠的產(chǎn)品JB-TGZ4L-2000型消防報(bào)警控制器中得到應(yīng)用。MES

參考文獻(xiàn)

1 李華主編.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997