RS485总线多机通信设计-综述.doc

RS485总线多机通信设计-综述.doc 文献综述 RS485总线多机通信系统设计 班级:081801 学号:121820080015 姓名:李福平 1. 前言 单片机自诞生以来，以其体积小、面向控制，稳定，性能可靠，高性价比等优点，在现代生活生活中有重要的运用，在实际运用中，要实现单片机间的协调工作及通信，即多机通信。利用MCS-51系列单片机串口工作模式2和模式3配合上RS485及驱动器MAX485可实现多机通信。 RS-485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信:在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m，而用100Kbps时传输距离可达1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。另外RS-485实现了多点互连，最多可达256台驱动器和256台接收器，非常便于多器件的连接。不仅可以实现半双工通信，而且可以实现全双工通信。 在多机通信领域(由于单片机具有灵活高效的多机通信功能和价格优势，应用越来越广泛，但由于单片机的收发信号都是TTI 电平，驱动能力和抗干扰性有限，实用中常配合其它总线实现互联，RS485总线就是其中之一。RS485总线是平衡差分传输，抗干扰性好，最远可传输4000 m，可互联多达128个单片机，非常适台组成多机通信系统。本文介绍一种利用单片机本身所提供的串行通讯口，采用自定义串行通信协议，加上总线驱动器如MAX485等组合成简单的RS,485通讯网络，完成单片机间的多机通讯。 第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8,C152 FA/FB)80C51GA/GB)8,C451)8,C452,还包括了Philips)Siemens)80C51 )ADM)Fujutsu)OKI)Harria-Metra)ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色)与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D)PWM)PCA(可编程计数器阵列))WDT(监视定时器))高速I/O口)计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8,C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(Controller Area Network BUS). 新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。 2.正文 1 2.1 单片机的现状以及发展趋势 单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机,又称MCU(Micro Controller Unit),是将计算机的基本部分微型化,使之集成在一块芯片上的微机.片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。 所涉及的市场占有率最高的是MCS—51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。生产MCS—51系列单片机的厂家如美国AMD公司、ATMEL公司、INTEL公司、WINBOND公司、PHILIPS公司、ISSI公司、TEMIC公司及南韩的LG公司、日本NEC、西门子公司等。到目前为止，MCS—51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 单片机的通信领域应用首先从两片单片机之间的通信发展起来，后来有了主从式多机通信并得到了广泛的应用，又出现了以单片机作为下位机与以PC机作为上位机的通信应用，上位机用VB或VC++等面向对象的程序设计语言编写通信收发程序，也得到了广泛的应用。虽然，单片机多机通信已经有较长的研究历史了，但其形式大多是主从式的，很少是平权式的。 随着超大规接集成电路技术的发展，将CPU、存储器以及各种外部设备的借口做在一块集成电路芯片上，构成了一个计算机，这样就将其称为单片机。单片机常常嵌入仪器、仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ，各种智能设备与应用系统中，称其为嵌入式应用。 随着应用的需要与集成电路技术的发展，单片机也由4位、8位、16位发展到32位甚至64位，功能与性能有了极大的提高与扩展。随着手机、数字电视、PDA等应用的迅速普及，32位等高档单片机也得到快速发展。但目前，单片机的主流仍然是8位单片机。其发展趋势如下: 1.种类多，型号全。很多单片机厂商逐年扩大适应各种需要，有针对性地推出一系列型号产品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代。 2.提高产品性能、扩大容量，性能价格比高。集成度已达300万个晶体管以上，总线速度达到数十微妙到几百纳秒，指令执行周期已达几微妙到数十纳秒，以往片外XRAM现已在物理上存入片内，ROM容量已扩展到32K,64K,128K以至更大的空间。价格从几百元到几元不等。 2 3.增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展。把原来是外围接口芯片的功能集成到一块芯片内。芯片内增加了多个A/D，D/A,PWM,多个UART串口、DMA， PCA, Watchdog, Sensor(温度传感器)，HC,PCI,USB控制器以及显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器、可编程时钟等功能，在一芯片中构造了一个完整的功能强大的微处理器应用系统。 4.低功耗。现在新型单片机的功耗越来越小，供电电压从5V降低到了3.2V，甚至1V，工作电流从mA级降到uA级，工作频率从十几兆可编程到几十千赫兹。特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。美国TI公司的单片机MSP430溪流，它是一个16位机，有超低功耗工作方式，它的低功耗方式有LPM1，LPM3，LPM4三种。当电源为3V时，如果工作于LPM1方式，即使外围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于1MHZ，这时功耗只有1.3uA.在LPM4时，CPU、外围及振荡器32KHZ都不活动，则功耗只有0.1uA。 5.软件配套服务齐全。提供了驱动各种硬件的软件包，包括标准应用软件、示范设计方法，使用户开发应用系统更快，更方便。 6.C语言开发环境，友好的人机交互环境。大多数单片机都提供基于C语言开发平台，并提供大量的函数供使用，这便使产品的开发周期、代码可读性、可移植性都大为提高。 2.2 关于多机通信 在多机通信中，为了保证主机与所选择的从机实现可靠的通信，必须保证通信接口具有识别功能，可以通过控制8051的串行口控制寄存器SCON中的SM2位来实现多机通信的功能，其控制原理简述如下: 利用8051串行口方式2或方式3及串行口控制寄存器SCON中的SM2和RB8的配合可完成主从式多机通信。串行口以方式2或方式3接收时，若SM2为1，则仅当从机接收到得第九位数据(在RB8中)为1时，数据才装入接收缓冲器SBUF，并置RI=1向CPU申请中断;如果接收到的第九位数据为0，则不置位中断标志RI，信息将丢失。而SM2为0时，则接收到一个数据字节后，不管第九位数据是1还是0都产生中断标志RI，接收到的数据装入SBUF。应用这个特点， 3 便可实现多个8051之间的串行通信。 主从式多机通信，即在数台单片机中有一台是主机，其余的为从机，从机要服从主机的调度、支配。8051单片机的串行口方式2、方式3就适用于这种主从式的通信结构，在各机之间配接RS-232C或RS-422或RS-485标准接口。下面我们来介绍这三种标准接口。 2.3基于RS-485的单片机多机通信 1. RS-485的内部结构 RS,485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输，而且一般采用RS,485串行总线接口标准的系统都使用8044芯片作为通信控制器或各分机的CPU。8044芯片内部集成了SDLC，HDLC等通信协议，并且集成了相应的硬件电路，通过硬件电路和标准协议的配合，使系统的通讯准确、可靠、快速。8044在市场上日渐稀少，虽然有8344可替代，但几百元的价位与普通单片机几元至几十元的价位相差甚远，用户在开发一般的单片机应用系统时，都希望能用简单的电路和简单的通信协议完成数据交换。譬如:利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总线驱动器如SN75176等组合成简单的RS,485通讯网络。本文所述的方法已成功地应用于工程项目，一台主机与60台从机通讯，通讯波特率达64KBPS。 RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。 而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主(Master)设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进， 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备 RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k剑 鳵S-422是4k健; 旧峡梢运礡S-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。 4 RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端 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.由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性好，又因为它的阻抗低，无接地问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，所以传输距离可达1200m，传输速率可达1Mbos。 RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞线的结构。对于单片机可通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平转换。在计算机和单片机组成的RS-485通信系统中，下位机由单片机系统组成，主要完成工业现场信号的采集和控制，上位机为普通的PC机，负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进行集中处理。而在单片机与单片机的通信系统中，则可以选其中一台单片机为主机，即上位机。 RS-485 接口电路的主要功能是:将来自微处理器的发送信号TX 通过“发送器”转换成通讯网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RX 信号。任一时刻，RS-485 收发器只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一，因此，必须为RS-485 接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。 RS-485是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂载在总线上，其中每个驱动器都能脱离总线。该规范满足所有的RS-422的要求，而且比RS-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V-+12V)。 2. RS-485的性能特点 1. RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6) V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)V表示。接口信号电平比RS -232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而 RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 5 因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络 ，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9(孔) ，与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9(针)。 3. RS-485的应用 RS-485 总线具有许多优良的特性，如较高的噪声抑制、较宽的共模范围、可以长距离传输、能够进行冲突保护等，在设计之初进行总体规划并且通过合理的进行网络布局、连续的信号通道、周全的保护等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，就可以建立一个可靠的应用广泛的RS-485网络。 4.关于单片机 单片机是为满足工业控制而设计的，所以实时控制特别强，其CPU可以滴I/O开端口直接进行操作，位操作能力更是其他计算机无法比拟的。另外，由于CPU、寄存器及I/O接口继承在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常强。而且单片机体积小、价格低、易于产品化，具有良好的性能价格比。并且在智能仪器仪表、机电一体化产品、实施工业控制、分布系统的前端模块、家用电器以及交通领域中等方面都有广泛的应用。 3.总结 RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7,+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题:发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。 4.参考文献: DataSheetZ.DALLASSEMICONDUCTOR,2001. 1.RS-485 2.刘建清 编著 轻松玩转51单片机 北京航天大学出版社，2011年 3.周明德 编著 单片机原理与技术 人民邮电出版社， 2008年 4. 吕汉兴,祁志勇.MCS—51系列单片机多机通信的实现[J].仪表技术,1999年 5. 费强,徐高晓.MCS—51系列单片机多机通信功能扩充[J].基础自动化,1995年 6 6. 叶佩.MCS_51单片机的多机通信方式研究[J].计算技术与信息发展,2009年 7. 禹言春.单片机的多机通信[J].安徽农学通报,2007年 8. 陈寿元.单片机多机串行通信的改进方案[J].经验交流，2004年 9. 陈晓英,任国臣.单片机多机通信系统稳定性的研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2001年 10. 李文明,张涛，郑丽娜.基于主从多机通信控制器的设计与实现[J].计算机测量与控制，2008年 11.吴国经等 单片机应用技术 中国电力出版社， 2004年 12.李朝青 PC机及单片机数据通信技术 北京航空航天大学出版社 2000年 13.陈小忠 黄宁 赵小侠 单片机接口技术 人民邮电出版社 2005年 7