摘要：文章分析了MCS-51系列單片機(jī)利用串行口進(jìn)行多機(jī)通信的基本原理，對利用單片機(jī)多機(jī)通信方式實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了硬件電路圖及主、從機(jī)程序，并在Proteus軟件上進(jìn)行了仿真運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；多機(jī)通信；交通燈系統(tǒng)；控制網(wǎng)絡(luò)

    由于微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和控制系統(tǒng)的復(fù)雜化，多機(jī)通信的應(yīng)用越來越廣泛，特別在一些對工業(yè)過程的控制中，多機(jī)通信已經(jīng)成為通信控制領(lǐng)域的主流通信方式。
    本文針對目前單片機(jī)書籍(包括教材)很少介紹多機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)技術(shù)的情況，在交通燈控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)交通燈控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以此為實(shí)例給出了單片機(jī)多機(jī)通信的解決方案。

1 單片機(jī)多機(jī)通信的基本原理
    計(jì)算機(jī)之間的通信除了點(diǎn)對點(diǎn)通信外，還有一機(jī)對多機(jī)或多機(jī)之間的通信，構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其中主從式多機(jī)通信是比較常用的一種方式。在主從式多機(jī)通信系統(tǒng)中，只有一臺(tái)主機(jī)，但可以有多臺(tái)從機(jī)。主機(jī)發(fā)送的信息可以傳送到各個(gè)從機(jī)或指定從機(jī)，從機(jī)發(fā)送的信息只能為主機(jī)所接收，各從機(jī)之間不能直接通信。主機(jī)通常由PC機(jī)擔(dān)任，也可用單片機(jī)擔(dān)當(dāng)(本文研究的是用單片機(jī)作主機(jī))，從機(jī)通常為單片機(jī)。  MCS-51單片機(jī)串行口的方式2和方式3具有多機(jī)通信功能，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主機(jī)和若干臺(tái)從機(jī)構(gòu)成總線式的多機(jī)分布式系統(tǒng)，其連接方式如圖1所示。

    在多機(jī)通信中，可充分利用MCS-51單片機(jī)的多機(jī)通信控制位SM2。用作主機(jī)的單片機(jī)的SM2應(yīng)設(shè)定為0，作從機(jī)的SM2設(shè)定為1。主機(jī)發(fā)送并為從機(jī)接收的數(shù)據(jù)有兩類：一類是地址，用于指示需要和主機(jī)通信的從機(jī)的地址，由串行數(shù)據(jù)第9位為“1”標(biāo)志；另一類是數(shù)據(jù)，由串行數(shù)據(jù)第9位為“0”標(biāo)志。由于所有從機(jī)的SM2=1，故每個(gè)從機(jī)總能在RI=0時(shí)收到主機(jī)發(fā)來的地址(因?yàn)榇袛?shù)據(jù)第9位為“1”)，并進(jìn)入各自的中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，每臺(tái)從機(jī)把接收到的從機(jī)地址和它的本機(jī)地址(系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)分配)進(jìn)行比較。所有比較不相等的從機(jī)均從各自的中斷服務(wù)程序中退出(SM2仍為1)，只有比較地址相等的從機(jī)才是被主機(jī)尋址通信的從機(jī)。被尋址從機(jī)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(jìn)一步歸結(jié)如下：
    (1)主機(jī)的SM2=0，所有從機(jī)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(jī)發(fā)來的地址。
    (2)主機(jī)給從機(jī)發(fā)送一幀地址信息時(shí)，其中的8位是地址，第9位為1表示是地址幀。
    (3)所有從機(jī)在SM2=1、RB8=1且RI=0時(shí)，接收到主機(jī)發(fā)來的從機(jī)地址幀后，進(jìn)行中斷處理，進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，并和本機(jī)地址進(jìn)行比較以確認(rèn)是否為被尋址從機(jī)。
    (4)被尋址的從機(jī)通過指令清除SM2，使SM2=0進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，可以接收主機(jī)隨后發(fā)送的數(shù)據(jù)(包括命令)，并向主機(jī)發(fā)回接收到的從機(jī)地址作為響應(yīng)信號(hào)，供主機(jī)核對，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與被尋址從機(jī)的雙機(jī)通信；未被尋址從機(jī)保持SM2=1，并退出中斷服務(wù)程序。
    (5)完成主機(jī)和被尋址從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，被尋址從機(jī)在通信完成后重新使SM2=1，并退出中斷服務(wù)程序，恢復(fù)到監(jiān)聽狀態(tài)，等待下次通信。

2 交通燈控制網(wǎng)絡(luò)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路
    城市交通控制系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)，所有路口的交通燈控制系統(tǒng)由一臺(tái)中心主機(jī)控制，當(dāng)某一路口將出現(xiàn)緊急情況時(shí)(如交通管制、交通堵塞、路段維修等)，單擊中心主機(jī)的對應(yīng)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(shè)計(jì)了
一臺(tái)主機(jī)控制兩臺(tái)從機(jī)的主從式多機(jī)系統(tǒng)，實(shí)施時(shí)可以擴(kuò)展到253臺(tái)主機(jī)，硬件電路如圖2所示。單片機(jī)U1為主機(jī)，U2、U3為從機(jī)，代表兩個(gè)路口的控制機(jī)，S1、S2為按鈕，分別與U1的P1．1、P1．0連接，當(dāng)按下時(shí)分別控制兩個(gè)路口的交通信號(hào)燈為所有紅燈亮，表示該路口出現(xiàn)緊急情況。與主機(jī)U1相連的兩個(gè)BCD數(shù)碼管用于顯示從機(jī)接收到的響應(yīng)幀，即出現(xiàn)緊急情況的路口地址號(hào)，如果接收到的響應(yīng)幀傳送出現(xiàn)錯(cuò)誤，與主機(jī)發(fā)出的地址號(hào)不同時(shí)，這兩個(gè)數(shù)碼管顯示FF，當(dāng)S1和S2沒有按下時(shí)，這兩個(gè)數(shù)碼管也顯示FF。

    由于串行口通信時(shí)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(shí)，必須將主、從機(jī)的“地”線相連以使其具有相同的電壓參考點(diǎn)。

2．2 通信協(xié)議
    多機(jī)通信是一個(gè)復(fù)雜的通信過程，必須有通信協(xié)議來保證多機(jī)通信的可操作性和操作秩序，實(shí)現(xiàn)收／發(fā)雙方的響應(yīng)與協(xié)調(diào)。這些通信協(xié)議，至少應(yīng)包括從機(jī)的地址、主機(jī)的控制命令、從機(jī)的響應(yīng)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(luò)系統(tǒng)的通信協(xié)議如表1所示。

3 軟件程序的設(shè)計(jì)
3．1 主機(jī)程序設(shè)計(jì)
    主機(jī)主要負(fù)責(zé)呼叫從機(jī)，發(fā)送控制命令以及從機(jī)響應(yīng)幀的接收，數(shù)據(jù)的顯示等功能。為了保證主、從機(jī)之間握手的成功，主機(jī)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(shè)置為方式2，SMOD=0。其流程圖如圖3所示。
      
  

3．2 從機(jī)程序設(shè)計(jì)
    從機(jī)循環(huán)運(yùn)行交通燈控制程序，交通燈控制程序利用定時(shí)器／計(jì)數(shù)器0實(shí)現(xiàn)定時(shí)，為了能正常和主機(jī)通信，從機(jī)的串行口也工作于方式2，SMOD=0，以保持和主機(jī)相同的波特率。由于主機(jī)呼叫從機(jī)時(shí)發(fā)送的地址幀與命令幀沒有重復(fù)，為了使程序簡單，本文針對從機(jī)接收到主機(jī)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(jī)地址相等則表明是地址幀，立即向主機(jī)發(fā)送自己的地址作為響應(yīng)信號(hào)；如果是命令則按命令執(zhí)行相關(guān)操作(所有路口紅機(jī)亮或恢復(fù)交通燈信號(hào))；如果既不與本機(jī)地址相等也不是兩個(gè)命令之一，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)不是發(fā)送給本機(jī)的，該機(jī)繼續(xù)監(jiān)聽，從機(jī)U2串行口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序清單如下：

   

4 結(jié)束語
    單片機(jī)利用串行口進(jìn)行多機(jī)通信是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，因此大多數(shù)單片機(jī)書籍沒有對這方面的內(nèi)容進(jìn)行介紹，或者沒有提供實(shí)例，本文對MCS-51單片機(jī)的多機(jī)通信進(jìn)行一定的探討，利用單片機(jī)多機(jī)通信對城市交通燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化集中控制，是一個(gè)很好的實(shí)例，通過Proteus仿真運(yùn)行(其運(yùn)行情況如圖3所示)，此方案切實(shí)可行。