MCS-51 单片机多串口通讯应用初探

2014-08-15王敏

电子测试 2014年7期

王敏

（东南大学吴健雄学院2011 级,南京,211189）

0 引言

单片机属于计算机的一个分支，是指一个集成在一块芯片上的小而完善的微型计算机系统，自产生之日起，就凭借小体积、多功能、低功耗、高性价比等优点在工业控制领域得到大量应用。随着电子技术的长足进步，单片机的应用领域日益拓宽，几乎所有电子产品中都会觅到它的“倩影”。单片机主要有专用和通用两类,通用类单片机能够符合多数系统的功能要求，如有需要，其功能还可以拓展，以满足特殊需要。MCS-51 单片机属于通用型，在现代通讯行业应用广泛。

1 实现单片机多串口通讯的途径

单机片与外界设备相连时，通常只有一个串行通讯接口，而工程任务日益复杂，常会遇到特殊需要，一个串行通讯接口难以满足要求，需要实现多串口通讯。其方法多种多样，以下几种较为常用：

1.1 多路模拟开关

该设计较为合理，技术要求低，操作简单，只需用相应软件对多路模拟开关进行控制，通过多路模拟开关和各路通讯线路分别建立连接，在多路通讯分时进行时较为适用，不会出现交叉的状况。

1.2 采用多串口单片机

随着技术的发展进步，具有多个串口的单片机已不罕见，当前常用的有68HC11P 和80C320 等。对于和MCS-51 单片机互相融合的单片机，新增串口和原来的串口在使用方法上有很大的相似性。在通讯方式上，多串口单片机不需要依赖于其他软件的支持，是当前自动控制领域很好的选择，但价格较贵。

1.3 多片机的协同工作

如果将多个单串口的单片机组合在一起，来完成多路通讯工作，与多串口单片机相比，价格要低，且技术上也容易实现。此方法多用于协议转换类工作，且每一个单片机只需处理一种协议数据，为软件编程提供了有利条件。单片机之间的数据交换必须通过一些特殊技术完成。对于双单片机系统，可利用并行口完成数据交换的工作，以MCS-51 单片机为例，两个该类单片机可借助P1 口来实现数据交换。

1.4 扩展串行通讯接口

实现多串口通讯还有一种可行的方法，就是对串行通讯接口进行扩展。从当前状况来看，MCS-51 单片机只有两类接口芯片可用，一是Intel8250，为DIP40 封装；二是Intel8251,属于DIP28 封装。该方法缺点是系统更为复杂，且扩展之后，芯片的体积有所增大。

2 MCS-51 单片机多串口通讯

2.1 通讯原理

在MCS-51 单片机工作时，每发送一帧数据为11 位，包括1位起始位、1 位停止位、8 位数据位，还有一个附加的第9 位数据（常以奇偶校验位的形式出现于非多机系统中）。为了避免通讯中出现差错，常会将“0”或“1”设置为区分数据帧（标志0）和地址帧（标志1）的标识。在主从式多级通信中，有以下几项需要注意：为保证准确地接收来自主机的信息，从机在其发送信息时一直保持在听命状态，假如接收到的信息为“1”，说明来自主机的信息属于地址信息，所有的从机此时都接收中断，反之则中断屏蔽。单个从机一旦出现中断，系统便会将本机地址和所接受地址进行比较，若两者相符，则发送本机地址作为对主机的回答，同时联通主机准备接收其他信息。若两者不符，从机则自动返回到中断服务程序。这样通过从机对主机地址帧数据和其他信息的隔离，信息更安全。

2.2 MCS-51 单片机多串口通讯现状

只有保证在MCS-51 单片机和PC 机间建立的串行接口对接的有效可行性，才能完成两者间良好的串行通信。由于RS-232使用的是EIA 电平，而MCS-51 单片机使用的是TTL 电平，为安全有效地完成数据传送工作，必须在两者间安装电平转换芯片。MAX232 芯片采用单电源供电，功耗较低，其自身带有电压电源变换器，能够和RS-232 输出的电压相转换，能满足其技术要求，所以，无论是从功能上考虑还是从经济上考虑，都比较适宜。

3 单片机之间的通信协议

3.1 单片机双机通信协议

在单片机通信中，双机通信是最为简单的一种通信模式，可直接和串口进行连接，操作起来方便简单，但两机之间的距离不能太远。使用RS-422 可延长通信距离，选择光电隔离方法，可相应地减轻干扰。在软件编程这一方面，需要建立相应的协议，用来对相同的晶振频率以及波特率做出相关规定，通过该协议，就可利用编程实现通信了。一般情况下，双机通信有查询和中断两种方法。

3.2 单片机多机通信协议

分布式集散控制系统应用范围较广，此系统的下位机需进行信号收集，常用多个单片机来代替，以方便对现场的有效控制。此时，控制整个系统运行的主机多是单片机，而从机则是多个单片机，主要负责对现场信号进行收集，并对局部加以控制。主机和从机依靠总线进行连接。由主机TXD 端口发出的信号，所有从机都可以接收；而由从机发出的信号，只有主机能对其接收。所以，每个从机都可以自由和主机通信，但从机与从机通信，一定要经过主机。在多机进行通信时，为使通信更加可靠，可引入寻址技术，由主机向各从机发送一个地址信息，用来验证身份。各从机接收后，与自身地址相比，如果一样，则可与主机通信；如果不一样，则可以不理会主机发来的数据。

用户判断收到的信息是数据帧还是地址帧，可通过改变TBB来实现，如此一来，当主机在发送寻址时，TBB 值设为一条；当发送的是数据时，需将TBB 清零。从机的识别主要依靠控制位SM2完成，该控制位位于串口控制寄存器中。从机接收到信息且是地址帧后，如果SM2 为1，则将数据进行保存，并将中断标志R 设为1,向CPU 发送中断信息；如果接受的不是地址帧，而是数据帧，则放弃信息，也不中断；但如果从机的SM2 为0，则不管是数据帧还是地址帧，都应将其数据进行保存，并将中断标志R 设置为1。

和双机通信相同，在通信软件开始编写之前，必须有相关协议，大致有以下规定：系统最多能够接入255 台从机；当主机传输0FFH 的地址时，每个从机都应恢复到SM2 值为1 的状态，做好再次接收地址的准备；主从机通信的程序大致为，主机将地址信息传输给各从机，各从机接收后将主机地址发送至主机，主机对其进行判断，若相同则发送控制命令，各从机据此将本身状态返回给主机；主机在要求各从机接收所发数据块时，需将控制命令00 发送到各从机；要求各从机发送自己所需的数据块时，需将控制命令FF 发送至各从机，其他一切命令都不可通。

另外，必须注意的是设计通信接口，要依据一定的标准进行设计。目前，有3 种通信接口应用比较广泛：一是RS-422，RS-449，RS-485，此类接口成本较高，但通信距离远，具有较快的传输速度；二是RS-232C，在距离较短的通信中比较常见；三是20mA的电流环，此类接口结构简单，具有较强的抗干扰能力。