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1、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
2、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，
3、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 M
4、CS-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
5、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
6、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SBU
7、F(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,
8、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 Industri
9、al 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
10、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
11、页,返回,7.2 理论基础,(4)采用RS-2320接口存在的问题传输距离短，传输速率低有电平偏移抗干扰能力差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
12、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:S
13、N75175,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 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
14、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
15、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
16、，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。测试单片机的电源和地是否正确连接;测试单片机的时钟电路和复位电路是否正常;测试EA引脚是否与电源相连;测试LED数码管动态显示电路是否正确;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
17、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
18、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:主、从机均初始化为方式2或方式3，置SM2=1，允许中断;主机置TB8=1，发送要寻址的从机地址;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,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;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;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;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
19、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
20、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,返回,(a)单工;(b)半双工;(c)全双工,图7 4 三线连接图,返回,图7一5 RS一232接口连接
21、图,返回,图7一6 Modem远程连接图,返回,图7-7 串行口结构框图,返回,图7一8 方式0用干I/O扩展输入,返回,图7一9 方式0用干I/O扩展输出,返回,图7一10 计算机RS-232串行通信接口,返回,图7一11 RS-232 连接器外形图,返回,表7-1 DB9和DB25输出接口的引脚定义,返回,图7一12 MAX232引脚图,返回,图7一13 MAX232芯片应用电路图,返回,图7一14 RS-422A芯片应用电路图,返回,图7一15 SN75174,SN75175芯片引脚图,返回,图7一16 SN75174,SN75175电平转换电路图,返回,图7一17 RS-485点对点远程通信电路图,返回,图7-18 20mA电流环串行接口工作原理图,返回,图7一19 20mA电路连接口线路图,返回,表7-2 学生工作页,返回,图7一20 双机异步通信的连接线路图,返回,图7一21 双机通信系统的硬件电路图,返回,图7-22 双机通信系统程序流程图,返回,图7一23双机通信系统仿真电路图,返回,表7-3元件清单,返回,表7-4 项目考核表,返回,图7一24 多机通信连接图,返回,图7一25 80 C51与RS232电平转换连接图,返回,图7一26,返回,图7一27,返回,图7一28,返回,
