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摘要：现代工业控制领域，实现主从节点间的相互通信是十分重要的，其中主从式多级分布系统是最广泛应用的模式。设计以MSC-51串行口通信协议为基础，基于通信技术，以单片机控制技术为核心，实现主机控制从机，从机反馈信息到主机的多级通信过程。该系统根据按键输入的信号，经单片机的控制处理并产生不同的与输入信号对应的输出信号，最后通过数码管显示相应的数据。实验的实际结果表明该系统具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点。
关键词：工业控制； 主从式多级分布系统； 单片机； 串行口通信
中图分类号：TP368.2 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）20-0217-02
Abstract： In the modern industrial control field， the principal-subordinate between nodes communicate with each other is very important， including master-slave multistage distribution system is one of the most widely used model. This system is based on MSC - 51 serial port communication protocol， based on the communication technology， single-chip microcomputer control technology as the core， and realizes multistage communication between host and from the machine .In this system ，the signals from the input keys control and processing by the single-chip microcomputer and produce the corresponding output signals different with the input signal， finally through the digital tube display the corresponding data. The actual experiment results show that the system has the advantages of simple circuit， low cost， easy operation， sensitive and reliable.
Key words： industrial control； master-slave multistage distribution system； single-chip microcomputer； serial port communication
1 引言
MSC-51单片机应用于工业控制时，往往需要安装在工业现场，远离主机，构成单片机多机系统，在多机系统中经常采用主从式多级分布控制系统[1]。本系统基于MSC-51单片机，采用串行通信方式，主机和从机可以实现全双工通信[2]，主机发送的信息可以传达到各个主机，从机发送的信息可以被主机或者从机接收。目前主从节点间数据传输的方式有可靠传输和不可靠传输，出于传输准确性的需要，系统采用可靠传输方式。
2 设计原理及仿真
主从式多级通信系统的设计主要分成两个部分；第一部分为硬件原理的设计，第二部分为依据主从式多级通信硬件原理图的设计，进行软件代码的设计与实现。
2.1 硬件原理图的设计
本文为了模拟主从式多级分布系统，采用了一个单片机作为主机，两个单片机作为从机的模拟通信过程。另外还需要设计相应外围硬件电路[3]来实现这个主从式多级通信系统。由于MSC-51单片机的串行口是发送接收双缓冲的全双工结构[4]，MSC-51单片机的串行接口共有四种工作模式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式。方式2和方式三除了可以用于双机间通信或外设电路的通信，还可以用作多机通信，以构成分布式多级系统。串行口有一个数据寄存器SBUF（字节地址为99H），SBUF寄存器为发送接收时所共用。发送时，只写不读；接收时，只读不写。在发送状态下，向SBUF中写入一个字节，产生TI（发送中断标志位）中断，并自动执行中断程序，完成发送过程，将该字节数据发送出去；在接收状态下，当SBUF中数据满一个字节，会产生RI（接收中断标志位）中断，并转入中断处理程序，完成数据的接收。将主机的TXD引脚和两个从机的RXD引脚连接在一起，实现主机向从机发送数据的功能；将主机的RXD引脚和从机的TXD引脚连接在一起，实现从机向主机发送数据的功能。虽然这种思路实现主机发送数据给从机，从机发送给主机的功能，但是实际情况下，可能需要从机与从机间相互通信，完成数据的共享，所以以上的思路有一定的局限性。
通过相应的硬件电路可以克服通信的局限性。可以在信号端加上三态门电路，当某个从机不进行工作时，可以设置三态门呈高阻态的状态，这样从机之间就不会互相影响了。同时，关于三态门的控制，可以设计为主机控制，这样要想实现各种形式的通信都可由单片机控制了。本文采用74HC245芯片作为三态门器件[5]。具体的电路如图1所示：
2.2 通信协议
主从式多级分布系统之间的通信，既包括主机与从机间的通信，还包括从机与从机间的通信，需要考虑相当全面的通信情形。而且，通信必须保证数据具有实时性，这就需要保证数据的长度是可变的，可以做到即发即传。
针对各种各样的通信情形，首先设计一个通信协议[6]，保证传输过程的准确性。将传输数据第一个字节作为控制命令字，最后一个字节作为结束标志（0x00），如图2所示。
本文所设计的通信协议为：主机首先给所有的从机发送一个控制命令字，从机接收到这个控制命令字后进行辨认，如果是0xaa则从从机1准备接收主机的数据，从机2处于待机的状态，而主机则会在发送完前面的控制命令字后再发送要传送的数据信号。当主机发送的是0xbb控制命令字时，主机在发送完控制命令字后再发送要传输的数据信号，此时从机1处于待机状态，从机2接收主机发送来的数据。如果从机接收的是0xcc，则主机在发送控制命令字后就准备接收从从机1发送来的数据信号，从机2处于待机状态。当主机发送的是0xdd控制命令字时，则主机在发送完控命令字后就准备接收从机2发送来的数据信号，从机1处于待机状态。主机发送的数据如果是0xee或者0xff控制命令字时，则表示从机与从机之间进行数据通信，此时，数据首先由从机传送给主机，再由从机传给主机，再由主机传送给另一个主机。
2.3 传输可靠性
对于主从机之间发送的数据，有可靠传输方式[7]和不可靠传输方式。不可靠传输模式的优点是相对可靠传输而言，传输速率要更高，但是不保证传输的准确性，传输不安全。对于要求高准确率的数据通信系统，更多的采用可靠传输。
主从式多级分布系统对于准确率要求很高，因此，本系统采用可靠传输方式。
可靠传输的实现主要依赖于传输数据的校验和[7]。在主机发送数据到从机过程中，将所有发送数据求和，一同发送给从机。从机接收完数据和校验和之后，对接收到的数据再进行一次求和，与主机发送的数据和进行校验。如果校验结果相同，则认为发送接收数据没有出错，可以接收；校验和不同，认为发送接收数据出错，将数据丢弃，不予接收。其他通信校验流程也是如此，运用校验和的方法，保证了传输的可靠性。
2.4 仿真结果
根据上述原理设计好硬件原理图和编写好软件代码后，可以再Proteus仿真软件上进行仿真。为了得到明确可见的仿真结果，本次设计将主从机之间的数据信号进行传送时，将接收到的数据信号利用数码管显示出来。具体仿真原理图如图3所示。
从仿真结果可以看出，无论是主机和从机之间通信，还是从机之间的通信，都能在仿真软件上得到正确的结果。所以可以肯定，此次设计的硬件和软件都是符合主从式多级分布系统的设计要求的。
3 结语
本文设计出以多个MSC-51单片机为核心的多级串行通信系统。利用单片机串行口发送接收双缓冲的全双工的特点，完成主从机之间及时准确的通信。它能根据输入的按键的指令信号，通过单片机的控制处理，从而控制主机向从机发送指令，从机接受指令并反馈状态信息给主机，同时从机间也可以相互交互信息。
通过软件仿真和硬件检测的结果可以看出，主从式通信系统完全符合现在工业控制领域主从节点相互通信的需求，具有操作简单，成本低，准确率高，即时性强等优点[8]。
主从式多级分布系统所使用的技术迅速发展，芯片性能日新月异，时刻关注技术动态的最新变化，及时跟进最新技术，进一步完善主从通信技术，是本系统的进一步发展方向。
参考文献：
[1] 王伟，郑金奎.MCS-51单片机主从式多机系统实时通讯的实现[J]西南自动研究所，1998（3）：39-34.
[2] 惠玥琳.基于单片机的USB主从机的设计与实现[D].电子科技大学，2007.
[3] 张传新，徐少杰.PC机与MCS-51单片机主从多机通信控制程序的研究[J].铁路计算机应用，1996，5（2）：10-12.
[4] 何晓红，谭兵.PC机与多台单片机的远距离多机通信[J].电子技术应用，1997（12）：41-43.
[5] 黄亮.基于AT89C51单片机的串行通信程序设计[J].单片机实用电子制作.
[6] 姚志成等.单片机多机通信协议的设计[J]. 微计算机信息 ，2006，22（2）.
[7] Universal Serial Bus Mass Storage Class Specification Overview[S].Revision 12，2003.
[8] 张俊.匠心手记：一个单片机工作者的实践与思考[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.