设计概况 (2)
1 总体设计 (3)
1.1 设计要求 (3)
1.2 设计方案 (3)
2 双机通信硬件设计 (4)
2.1 AT89C51简介 (4)
2.2 AT89C51串行口的工作方式 (5)
2.3 晶振电路设计 (8)
2.4 复位电路设计 (8)
2.5 接口电路的设计 (9)
2.6 输入输出电路设计 (11)
3 双机通信软件设计 (13)
3.1 串行通信软件实现 (13)
3.2 串行通信程序流程 (13)
3.3 程序清单 (16)
4 软件仿真 (20)
5 硬件连接 (21)
6 设计总结 (23)
参考文献 (24)
设计概况
要构成一个较大规模的控制系统,常常需要采用多机控制实现,而AT89C51单片机有一个异步通信方式的全双工串行接口,可以方便地构成双机、多机系统。而串行通信也成为单片机与单片机、单片机与上位机之间进行数据传输的主要方式,是一种适用于远距离通信的数据传输方式。
串行通信是单片机的一个重要应用。本次课程设计就是要利用单片机来完成一个系统,实现双片单片机串行通信。通信的结果实用数码管进行显示,数码管采用查表方式显示。两个单片机之间采用RS232进行双机通信。在通信过程中,使用通信协议进行通信。
关键词:单片机;串行通信;接口
1 总体设计
1.1 设计要求
设计一个单片机双机通信系统,单片机A接1个8位按键开关,单片机B 接8个发光二极管,通过串行通信实现由A机拨码开关控制B机发光二极管的亮灭。
1.2 设计方案
本次设计,对于两片AT89C51,采用RS-232进行双机通信。如图1所示,发送方的数据由串行口TXD段输出,经过电平转换芯片MAX232将TTL电平转换为RS-232电平输出,经过传输线将信号传送到接收端。接收方也使用MAX232芯片进行电平转换后,信号到达接收方串行口的接收端。接收方接收后,在LED 二极管上显示接收的对应信息。
图1 双机通信系统原理框图
软件部分,通过通信协议进行发送接收,发送机先送联络信号给接收机,当接收机接收到联络信号后,向发送机回答一个应答信号,表示同意接收。发送机收到应答信号后开始发送数据,每发送一个数据块字节都要计算“校验和”,假定数据长度为16个字节,起始地址为40H,一个数据块发送完毕后立即发送“校验和”。接收机接收数据并存入数据缓冲区起始地址也为40H,每接收到一个数据字节便计算一次“校验和”,当接收到一个数据块后,在接受发送机发来的“校验和”,并将它与接收机计算的校验和进行比较。若二者相等,说明接受正确,接收机回答00H,发送机结束发送;若二者不等,说明接受不正确,接收机回答0FFH,请求重发,发送机重新发送数据一次。接收机接收到数据后通过发光二极管LED显示发送机的发送状态。
2 双机通信硬件设计
2.1 AT89C51简介
AT89C51 是一个带有4k 字节存储器的单片机,它具有128字节内部RAM;32 个I/O 口线和;两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz 的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU
的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。如图2所示,DIP40封装的AT89C51的各个引脚及其功能。
图2 AT89C51单片机引脚封装
AT89C51单片机各个引脚功能如下:
(1)电源几时钟引脚
(40号引脚):电源接入引脚
?V
CC
?V
(20号引脚):接地引脚
SS
?XTAL1(19号引脚):晶振接入的一个引脚
?XTAL2(18号引脚):晶振接入的另一个引脚
(2)控制线引脚
(9号引脚):复位信号输入引脚/备用电源输入引脚?RST/V
PD
?ALE/PROG(30号引脚):地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引?EA/
V(31号引脚):内外存储器选择引脚/片内EPROM编程电压输入引脚
PP
?PSEN(29号引脚):外部程序存储器选通信号输出引脚
(3)I/O引脚
·P0.0—P0.7(39—32号引脚):一般I/O口引脚/低位地址总线引脚
·P1.0—P1.7(1—8号引脚):一般I/O口引脚
·P2.0—P2.7(21—28号引脚):一般I/O口引脚/高位地址总线引脚
·P3.0—P3.7(10—17号引脚):一般I/O口引脚或第二功能引脚
P3.0(10号引脚):RXD串行口输入
P3.1(11号引脚):TXD串行口输出
P3.2(12号引脚):0
INT外部中断0输入
P3.3(13号引脚):1
INT外部中断1输入
P3.4(14号引脚):T0定时器0的外部输入
P3.5(15号引脚):T1定时器1的外部输入
P3.6(16号引脚):WR片外数据存储器“写”选通控制输出
P3.7(17号引脚):RD片外数据存储器“读”选通控制输出
2.2 AT89C51串行口的工作方式
AT89C51的串行口是一个可编程全双工的通信接口,具有通信异步接受和发送的全部功能,能同时进行数据的接收和发送,也可作为同步移位寄存器使用。
AT89C51的串行口主要由两个独立的串行数据缓冲寄存器SBUF(一个发送缓冲寄存器,一个接收缓冲寄存器),串行口控制寄存器、输入移位寄存器及若干控制门电路组成。
(1) 串行口数据缓冲寄存器SBUF
AT89C51可以通过特殊功能寄存器SBUF的读写操作,实现对串行接收或串
行发送寄存器的访问,串行接收和串行发送寄存器在串行口内部是两个独立的存储单元,共用同一个地址99H。串行口数据传送使用的是内部数据传送指令“MOV A,SBUF”或“MOV SBUF,A”.当执行写操作时,访问串行发送寄存器;当执行读操作时,访问串行接收寄存器。
(2) 串行口控制寄存器SCON
AT89C51串行口工作的设定、接收与发送控制的设置都是通过对串行口控制寄存器SCON的编程确定的。SCON是一个特殊功能寄存器,其地址为98H,可位寻址,其各位的作用定义如下:
表2 控制寄存器SCON
SM0、SM1:串行口工作方式选择位,工作方式选择如表2所示。其中
f
osc 是晶体振荡器的频率。
SM2:多机通信控制位。在方式0下,SM2应为0;在方式1下,如果SM2=0,则只有收到有效的停止位时才会激活RI;在方式2和方式3下,如置SM2=1则只有收到第9位数据为1时,RI被激活(RI=1,申请中断,要求CPU取走数据)。
REN:允许接收控制位。由软件置位或清零。REN=1,允许接收;REN=0,禁止接收。
TB8:在方式2和方式3下,存放要发送的第9位数据,常用作奇偶校验位。在多机通信中,可作为区别地址帧或数据帧的标识位,若为地址帧,TB8=1; 若为数据帧,TB8=0。
RB8:在方式2和方式3下,存放接收到的第9位数据;在方式1下,如SM2=0,则该位为接收到的停止位;方式0不用此位。
TI:发送中断标志。在方式0下,发送完第8位数据位时,由硬件置位;在其他方式下,当开始发送停止位时,由硬件将TI置位,即是向CPU申请中断,CPU可以发送下一帧数据。在任何方式下,TI必须由软件清零。
RI:接收中断标志。在方式0下,接收完第8位数据时,由硬件置位;在其他方式下,当接收到停止位时RI置位,即申请中断,要求CPU取走数据。它必须由软件清零。
表3 串行口工作方式选择
本设计发送机串行口的工作方式为方式1,即控制寄存器SCON 中内容如下:
表4 发送机控制寄存器SCON
接收机的串行口的工作方式为方式1,即控制寄存器SCON 中内容如下:
表5 接收机控制寄存器SCON
串口以方式1发送,由CPU 执行一条写发送寄存器指令“MOV SBUF,A ”,就可将数据位逐一由TXD 端发送。当发送一帧数据后,将TI 置1。串口以方式1接受,需控制SMOD 中的REN 为1(SMOD 为特殊功能寄存器PCON 的最高位),此时对RXD 引脚进行采样,当采样到起始位置有效时,开始接收数据。当一帧数据接收完毕,且RI=0,SM2=0或接收到RB8=1时,接收数据有效,此时可利用读接收寄存器指令“MOV A,SBUF ”将数据送入CPU 。同时将RI 置1。若要再次发送或接收数据,必须将TI 、RI 清零。 (3)波特率的计算
根据表2可知串口工作方式方式1时一帧数据为10位(8位数据位,起始位、停止位各1位)。其传输波特率是可变的,由定时器T1的溢出率来决定。
波特率=)1()32/2(溢出率T SMOD ?
当T1作为波特率发生器时,最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式(即方式2,且TCON 的TR=1,以启动定时器)。这时溢出率取决于TH1中的计数值。
()[]{}125612/1TH f TH OSC -?=溢出率
在单片机的应用中,常用的晶振频率osc f 为:12MHz 和11.0592MHz 。在本设计中晶振频率采用osc f =11,。0592MHz 。即波特率为
波特率=[]
{})1(25612322TH f osc SMOD
-??
2.3 晶振电路设计
AT89C51单片机内部有一震荡电路,只要在单片机的XTL1(19号)和XTAL2(18号)引脚外接石英晶体(简称晶振)就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。如图3所示,图中电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振,电容值为5~30pF,典型值为30pF,本设计取30pF。晶振CYS的振荡频率范围为1.2MHz~12MHz,典型值为12MHz和6MHz,本设计取12MHz。
图3 晶振电路
2.4 复位电路设计
AT89C51单片机的RST(9号)引脚引入高电平并保持两个机器周期时,单片机内部就执行复位操作。在实际中AT89C51通常有两种操作方式复位,一种是上电复位;另一种是按键上电复位。在双机通信系统的设计中使用按键上电复位,如图4所示。
图4 复位电路
单片机复位后进入初始化状态。初始化后,程序计数器PC=0000H,所以程
序从0000H地址单元开始执行。单片机启动后,片内RAM为随机值,运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。
特殊功能寄存器复位后的状态是确定的。P0~P3为FFH,SP为07H,SBUF 不定,IP、IE和PCON的有效位为0,其余的特殊功能寄存器的状态均为00H。
2.5 接口电路的设计
(1)直接通信
单片机与单片机进行双击串行通行时,可将两个单片机的串口直接连接,接线图如图5所示,这种接线传输距离短,抗干扰能力差。
图5 直接通信接线图
(2)串口通信
单片机与单片机进行双击串行通行时,AT89C51串行接口的信号电平为TTL 类型,抗干扰性差、传输距离短。为了提高串行通信的靠抗性,延长通信距离,一般设计采用标准的串行接口。
RS-232C接口是1969年EIA推出的串行通信标准,目前是PC机与通信工业中应用最广的一种串行接口。数据传输速率在0~20kbps范围内的通信,最大传输距离可达15m,能实现一发一收通信,目前常用的RS—232C接口连接器有9针串口(DB—9)和25针串口(DB—25)。最常用的的是DB—9,常采用三线制接法,即发送数据线、接受数据线和接地线三脚相连。传输线采用屏蔽双绞线,如图6所示。
图6 DB—9三线制接法
RS—232C信号的电平与单片机串口信号的电平不一致,二者之间必须进行电平转换。使用电平转换芯片MAX232就可以实现RS232C/TTL电平的双向转换。MAX232芯片使用单一的+5V电源供电,配接5个1uF电解电容即可完成RS232C 电平的TTL电平之间的转换,其电路接线图如图7所示。
图7 MAX232电平转换芯片电路接线图
表6 DB—9常用信号引脚说明
2.6 输入输出电路设计
P1口是AT89C51单片机的唯一的单功能口,仅能用作数据输入/输出口。P1口的位结构如图8所示
图8 P1口的位结构
由图8可知,P1口由一个输出锁存器,两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。内部设有上拉电阻。P1口是通用的准双向I/O口。输出高电平时,能向外提供拉电流负载,不必再接上拉电阻。当口用于输入时,须向口锁存器写入“1”。输入低电平有效。因此其输入电路如图9,输出电路图10:
图9 发送机输入电路
图10 接收机输出电路
3 双机通信软件设计
通过通信协议进行发送接收。发送机先送联络信号给接收机,当接收机接收到联络信号后,向发送机回答一个应答信号,表示同意接收。发送机收到应答信号后开始发送数据,每发送一个数据块字节都要计算“校验和”,假定数据长度为16个字节,起始地址为40H,一个数据块发送完毕后立即发送“校验和”。接收机接收数据并存入数据缓冲区起始地址也为40H,每接收到一个数据字节便计算一次“校验和”,当接收到一个数据块后,在接受发送机发来的“校验和”,并将它与接收机计算的校验和进行比较。若二者相等,说明接受正确,接收机回答00H,发送机结束发送;若二者不等,说明接受不正确,接收机回答0FFH,请求重发,发送机重新发送数据一次。接收机接收到数据后通过发光二极管显示发送机的发送状态。
3.1 串行通信软件实现
(1)串行口工作于方式1;用定时器1产生9600bit/s的波特率。
(2)功能:将本机ROM中数码表TAB[16]中的16个数发送到从机,并保存在从机内部ROM中,从机收到这16个数据后送到一个数码管循环显示。
(3)通信协议:发送机首先发送连络信号(E1H),接收机接收到之后返回一个连络信号(E2H)表示从机已准备好接收。通信过程使用第九位发送奇偶校验位。接收机接收到一个数据后,立即进行奇偶校验,若数据没有错误,则返回00H,否则返回FFH。发送机发送一个数据后,等待接收机返回数据;若为00H,则继续发送下一个数据,若为FFH,则重新发送数据。
3.2 串行通信程序流程
(1)发送机程序流程
根据通信协议发送机需向接收机发送联络信号“E1”,当接收到应答信号后,发送机发送数据,发送数据完毕后将校验和发送至接收机,接收机进行校验如果正确等待下一次发送;如果错误重新发送数据。其流程图如下:
图10 发送流程图
(2)接收机程序流程
根据通信协议,接收机等待发送机发出的联络信号“E1”并向发送机发送应答信号“E2”,当接收1个数据字节后求检验和,发送机在发送完一个数据块后将发送机计算的校验和发送至接收机,接收机将两个校验和进行比较,如果正确等待下一次接收;如果错误则发送出错标志重新发送数据。其流程图如下:
图11 接收机流程图
3.3 程序清单
基于AT89C51单片机双机通信时,串行输入输出可直接进行连接,实现双机通信。这样连接方式,传输距离短,抗干扰能力弱,但容易实现,其接线和程序较为简单,其程序如下:
(1)发送机程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG O1OOH
MAIN: MOV SP,#6OH
MOV SCON,#40H
MOV TMOD,#20H
MOV TH1,#0FDH
MOV TL1,#0FDH
SETB TR1
MOV P1,#0FFH
MOV 30H,#0FFH
K0: MOV A,P1
CJNE A,30H,KI
SJMP K0
KI: MOV 30H,A
MOV SBUF,A
SJMP K0
WAIT: JBC T1,K0
SJMP WAIT
END
(2)接收机程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG O1OOH
MAIN: MOV SP,#6OH
MOV SCON,#50H
MOV TMOD,#20H
MOV TH1,#0FDH
MOV TL1,#0FDH
SETB TR1
MOV P1,#0FFH
K0: JB RI,KK
SJMP K0
KK: MOV A,SBUF
MOV P1,A
CLR RI
SJMP K0
END
发送机与接收机也可以经过串口进行通信,这种通信方式较上一种方式提高通信距离,抗干扰能力强,传输稳定,但其接线复杂,程序比较繁琐。其程序如下:
(1)发送程序清单
ASTRT: CLR EA
MOV TMOD,#20H ;定时器1置为方式2
MOV TH1,#0F4H ;装在定时器初值,波特率为2400
MOV TL1,#0F4H
MOV PCON,#00H
SETB TR1
MOV SCON,#50H ;设定串行口方式1,且准备接受应答信号ALOOP1:MOV SBUF,#0E1H ;发送联络信号
JNB TI,$ ;等待一帧发送完毕
CLB TI ;允许在发送
JNB RI,$ ;等待接收机的应答信号
CLR RI ;允许在接收
MOV A,SBUF ;接收机应答后,读至A
XRL A,#0E2 ;判断接收机是否准备完毕
JNZ ALOOP1 ;接收机未准备好,继续联络
ALOOP2: MOV P1,#0FFH
MOV 30H,#0FFH ;设定拨码开关初值
MOV R7,#10H ;设定数据块长度
MOV R6,#00H ;清校验和单元
ALOOP3:MOV A,P1 ;读入拨码开关
CJNE A,30H,ALOOP4
SJMP ALOOP3
ALOOP4:MOV 30H,A ;存入拨码开关新值
MOV SBUF,A ;发送一个数据字节
MOV A,R6
ADD A,P1 ;求校验和
MOV R6,A ;保存校验和
INC R0
JNB T1,$
CLB T1
DJNZ R7,ALOOP3 ;整个数据块是否发送完毕
MOV SBUF,R6 ;发送校验和
JNB TI,$
CLR TI
JNB RI,$ ;等待接收机应答信号
CLR RI
MOV A,SBUF ;接收机应答,读至A
JNZ ALOOP2 ;接收机应答错误,转至重新发送
SJMP ALOOP3 ;进入下一循环传送
END
(2)接收程序清单
BSTART: CLR EA
MOV TMOA,#20H
MOV TH1,#0F4H
MOV TL1,#0F4H
MOV PCON,#00H
SETB TR1
MOV SCON,#5OH ;设定串行口工作方式1,且准备接收BLOOP1: JNB RI,$ ;等待1号机的联络信号
CLR RI
MOV A,SBUF ;收到1号机的信号
XRL A,#0E2H ;判断是否为1号机联络信号
JNZ BLOOP1 ;不是1号机联络信号,再等待
MOV SBUF,#0E2H ;是1号机联络信号,发应答信号
JNB T1,$
CLR TI
BLOOP2: MOV R0,#40H ;设定数据块地址指针初值
MOV R7,#10H ;设定数据块长度初值
MOV R6,#00H ;清校验和单元
BLOOP3: JNB RI,$
CLR RI
MOV A,SBUF
MOV @R0,A ;接收数据转储
INC RO
ADD A,R6 ;求校验和
MOV R6,A
DJNZ R7,BLOOP3 ;判断数据块是否接收完毕
JNB RI,$ ;完毕,接收1号机发来的校验和 CLR RI
MOV A,SBUF
XRL A,R6 ;比较校验和
JZ END1
MOV SBUF,#0FFH ;校验和相等,跳至发正确标志 JNB TI,# ;校验和不相等,发错误标志
CLR TI ;转重新接收
SJMP BLOOP2
END1: MOV SBUF,#00H
RET
4 软件仿真
Proteus 7 Professional 是一种低投资的电子设计自动化软件,它可以仿真单片机和周边设备,可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU。与KEIL 和MPLAB不同的是,它还可以仿真周边的设备。例如,示波器、RAM、ROM、LED 等。本次设计,通过两片两片AT89C52单片机由8位按键开关分别控制8个指示灯。具体接线如下;发送电路18、19号引脚连接晶振电路,9号引脚连接复位电路。1-8号引脚连接8位按键开关。10、11号引脚连接接收电路单片机的11、10号引脚。接收电路,18、19号引脚连接晶振电路,9号引脚连接复位电路。1-8号引脚连接8个指示灯。
图12 双机通信仿真图