【摘　要】　主要講解了IBM－PC機與MCS－51單片機多機系統的通信原理，給出了其硬件接口框圖，并詳細地分析了系統的多機通信軟件設計。

關鍵詞：單片機，分布式系統，串行通信

1　引　言

在測控系統和工程應用中，常遇到多項任務需同時執行的情況，因而主從式多機分布式系統成為現代工業廣泛應用的模式。它們大多由IBM－PC微機和MCS－51單片機組成。單片機功能強、體積小、價格低廉、開發應用方便，尤其具有全雙工串行通訊的特點，在工業控制、數據采集、智能儀器儀表、家用電器方面都有廣泛的應用。同時，IBM－PC機正好補充單片機人機對話和外圍設備薄弱的缺陷。各單片機獨立完成數據采集處理和控制任務，同時通過通信接口將數據傳給PC機，PC機將這些數據進行處理、顯示或打印，把各種控制命令傳給單片機，以實現集中管理和最優控制。

故IBM－PC機（上位機）與各MCS－51單片機（下位機）之間的通信顯得尤其重要。本文主要探討它們之間的遠距離串行通信接口和軟件程序設計。

2　硬件設計接口

RS－232－C串行通信接口是美國電氣工業協會（EIA）與BELL公司等一起開發的一種標準通信協議，現在它在終端、外設與計算機中被廣泛采用。該標準規定了21個信號和25個引腳，但在智能儀器與計算機之間的通信中常用2個信號及3個引腳（2腳數據輸入，3腳數據輸出，7腳信號地）。它采用雙極性的負邏輯信號，0邏輯信號為＋3V至12V，1邏輯信號為－3V至－12V，它的傳輸速率最大為20kbit／s，傳輸距離僅為15m。由于RS－232主要是完成電平移位、轉換和信號反相等，所以它有自己的電平轉換與驅動芯片，如MC1488（發送）與MC1489（接受）。IBM－PC機有兩個標準的RS－232串行口，其電平采用的是EIA電平，而MCS－51單片機的串行通信是由TXD（發送數據）和RXD（接收數據）來進行全雙工通信的，它們的電平是TTL電平，為了PC機與MCS－51機之間能可靠地進行串行通信，需要用電平轉換芯片。由于MC1488和MC1489需要±12V、＋5V電源供電，故采用MAXIM公司生產的低功耗、單電源的MAX232芯片，因為它自身帶有電源電壓變換器，可以把＋5V電源變換成RS－232輸出電平所需的±10V電壓，能實現RS－232的技術指標，并只需要＋5V的電源，為串行通信帶來了較好的性能和低廉的價格。MAX232的接口電路圖如圖2所示。

PC機采用可編程串行異步通信控制器8251A來實現，通過對INS8251A初始化可以控制串行數據傳送格式和速度及其工作方式，使得它與單片機的通信方式一致，從而實現PC機與單片機之間的通信。MCS－51和8251A的連接圖見圖3。

由于遠距離數據傳輸，在系統中用了兩片MAX485芯片進行數據傳送，還采用了兩級光電隔離來提高系統的抗干擾能力。單片機和PC機之間的RS－232通信硬件接口電路框圖如圖4所示。

3　串行通信的軟件程序設計

3．1　主從式多機通信原理

MCS－51用于多機通信時必須工作在方式2或方式3。以方式3為例，每發送一幀數據為11位：1位起始位（0），8位數據位和1位停止位（1），附加的第9位數據在非多機系統中為奇偶校驗位，在發送端有SCON的TB8產生，在接收端傳送到SCON的RB8。它還可設定為“0”或“1”作為在多機通信中區分數據幀（0標志）還是地址幀（1標志）的標志。在MCS－51多機系統中有以下協議：所有的各從機均處于聽命狀態，即SM2＝1，以便接收主機發來的地址，當接收到一幀信息的RB8為“1”時，表示主機發送來的是地址信息，所有的從機均發生接收中斷，否則中斷屏蔽。當一從機進入相應的中斷服務程序，把接收到的地址和本機的地址比較，如果相符合就令其SM2＝0，并向主機發回本機地址以作應答，該從機就與主機聯通，準備接收主機發來的命令或數據信息，而其他的未被尋址從機保持SM2＝1并退出各自的中斷服務程序。這樣，只有SM2＝0的從機才能接收到主機發送來的數據信息，順利實現地址幀和數據幀的分離。被尋址從機在通信完成后重新使SM2＝1，并退出中斷服務程序，等待下次通信。

3．2　多機通信協議

要實現單片機和PC機的正常通信，必須正確設定它們兩者之間的通信方式，保證雙方都用相同的波特率、起始位、停止位、奇偶校驗位，并且要建立雙方通信的應答信號。

單片機既可工作在同步移位寄存器方式下也可工作在UART（通用異步收發器）下。串行口的通信方式是由特殊功能寄存器SCON來控制的。其各控制定義如下：

SM0，SM1：工作模式設定位；SM2：允許使用方法2、3多機通信控制位；RB8：接收數據第9位；TB8：發送數據第9位；TI：發送中斷標志；RI：接收中斷標志。本文中工作方式為3，即9位UART定時器T1作為波特率發生器，工作在方式2，若選定波特率為1200bps，則計數初值為0E8H（SMOD＝0，時鐘頻率Fosc為11．059MHz）。

PC機的異步通信接口為INTEL8251A，它可設定1位、1．5位或2位停止位，數據可在5～8位之間選擇，通信頻率為0～9．6Kbps，有奇偶校驗、幀校驗、溢出校驗三種方式。可通過對它寫入一定的方式控制字、命令控制字從而進行初始化。它與MCS－51的連接如前面所示，則它的數據口地址為0F0H，控制口地址為0F1H。它的工作狀態寄存于其狀態字寄存器中，可由MCS－51的CPU讀取。通信協議如下：（1）串行通信波特率為1200bps；（2）幀格式為8位數據位，一位起始位，一位可編程的第9位（即發送和接收的地址／數據位的標志位），一位停止位；（3）主機和從機遵循主從原則，主機用呼叫方式選擇從機，數據在主機和從機之間雙向傳遞，各從機之間的相互通信需通過主機作為中介；（4）主從機之間還應傳送一些供它們識別的命令和狀態字，如以00H表示主機發送從機接收命令，以01H表示從機發送主機接收命令等。

3．3　通信程序設計思路及其實現

程序主要包括主機程序（由主機主程序和通信子程序組成）、從機主程序和其中斷服務程序組成。主機程序主要完成對8251A的初始化以及主機與從機之間的通信，主機程序框圖見圖5。而從機主程序主要完成對串行口的初始化、波特率的設置（應與8251A的波特率一致），它的中斷程序主要用來完成MCS－51單片機與PC機的數據通信。從機中斷服務程序框圖見圖6。

這里簡單介紹8251A的初始化程序，設8251A工作于異步通信方式，波特率系數×1，字符長度為8位，偶校驗，所以方式字為7DH，又設8251A為全雙工方式，出錯標志復位，故其命令控制字為27H，其相應的初始化程序如下：

MOV R0，＃0F0H

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4　結束語

本系統軟硬件在IBM PC／XT機和DICE系列的MCS－51單片機上進行過調試，運行良好，驗證了其在 仿真平臺的控制，現已用于實際系統，且特別適用于從機實時性要求較高的中小型工控系統。

參考文獻

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