李浩1，吳建龍1，李長艷2
(1.首鋼工學(xué)院 機(jī)電工程系，北京 100144；2.北京佳點(diǎn)風(fēng)向網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，北京 100013)
摘要：詳細(xì)闡述利用AT89x51單片機(jī)異步串行口組成的主從式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和對等式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)、硬件構(gòu)成、通信協(xié)議、軟件程序流程圖以及信道爭用的應(yīng)對等，并通過軟件仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：AT89x51；網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)；主從式網(wǎng)絡(luò)；對等式網(wǎng)絡(luò)；令牌環(huán)
0引言
眾所周知，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型可以從多個(gè)角度劃分,從地理位置上分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)等；從傳輸介質(zhì)上分為有線網(wǎng)、光纖網(wǎng)和無線網(wǎng)等；從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分為星型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)、總線網(wǎng)絡(luò)等；從服務(wù)類型上分為主從式(C/S)網(wǎng)絡(luò)和對等式網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在各行各業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，關(guān)注點(diǎn)不同，也就出現(xiàn)了更多的分類方法，此處不再一一列舉。本文對基于51單片機(jī)構(gòu)成的主從式網(wǎng)絡(luò)和對等式網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
1當(dāng)前研究現(xiàn)狀及研究對象模型
圖1是本文項(xiàng)目的載體平臺，欲實(shí)現(xiàn)的功能是：3臺單片機(jī)均在00～99范圍內(nèi)循環(huán)計(jì)數(shù)并顯示；每臺機(jī)器上都加裝有按鍵，且每次按下的計(jì)數(shù)值不一樣；每臺機(jī)器上的計(jì)數(shù)值不能在本臺機(jī)器控制的LED上顯示，需要通過總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡渌麢C(jī)器上顯示。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，可以利用兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即主從式網(wǎng)絡(luò)和對等式網(wǎng)絡(luò)。通過查詢中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫以及國內(nèi)絕大多數(shù)的教科書和科技文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)：51單片機(jī)多機(jī)串口通信方面的內(nèi)容大多限于主從式網(wǎng)絡(luò)，即使涉及了對等式網(wǎng)絡(luò)，這些論文中又將它們?nèi)藶榈胤殖闪薃組和B組，異組之間可以隨意通信，同組之間的單片機(jī)還是不能實(shí)現(xiàn)直接通信［13］，沒有徹底解決地位“平等”的問題。
2AT89x51/52單片機(jī)的串口通信資源
AT89x51/52單片機(jī)的異步串口由接收端RXD和發(fā)送端TXD兩個(gè)管腳組成。
完成一次傳輸?shù)幕締挝皇且粋€(gè)字節(jié)，它是通過發(fā)送SBUF字節(jié)寄存器和接收SBUF字節(jié)寄存器來完成的。
串口控制寄存器SCON［4］的各位功能如表1所示。
異步串行通信方式下，該控制寄存器中，對實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信起著關(guān)鍵作用的是SM2和TB8/SB8這3位。這3個(gè)控制位的具體工作機(jī)制(通信協(xié)議)如下。
?。?）接收令牌(地址)幀信息，然后與本地站地址比對，如果相同，則可以進(jìn)行以下步驟；如果不同，則不能往總線上發(fā)送信息。
（2）在傳輸信息以前，必須首先分別將3臺單片機(jī)的SM2都設(shè)置為1，表示發(fā)送機(jī)即將發(fā)送的地址幀信息，其余兩臺單片機(jī)都需要接收。
（3）發(fā)送機(jī)端需將TB8置位，表示本幀信息為地址幀。兩臺接收機(jī)接收到地址幀后立即與本機(jī)地址進(jìn)行比對，如果相同，則將自己的SM2設(shè)置為0，該接收機(jī)能對接下來即將發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生接收中斷，即下一步通信不再是多方接收，而是雙機(jī)之間的一對一通信；如果不同，則該接收機(jī)仍然保持SM2的置位狀態(tài)，它對接下來發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不會產(chǎn)生中斷信號RI，因此不予接收。
（4）發(fā)送機(jī)清零TB8，表示本幀信息為數(shù)據(jù)幀。只有SM2=0的接收機(jī)才能接收到本數(shù)據(jù)幀，本次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，該接收機(jī)需將SM2置為1，為下一次接收地址幀作好準(zhǔn)備。
（5）令牌字節(jié)的處理以及令牌的傳遞。
經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)歸納如下：異步串行通信方式下，不論是雙機(jī)一對一通信還是多機(jī)的一對一、一對多通信，中斷信號RI與控制位SM2和RB8之間的邏輯關(guān)系為：RI=SM2+RB8。
3基于主從式網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
當(dāng)多臺51單片機(jī)工作于多機(jī)主從通信模式下，通信各方之間就有主、從之分；若直接采用TTL電平進(jìn)行互連，則主機(jī)與各臺從機(jī)之間的連接距離最好不要超過1 m［5］。主從式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有如下一些特點(diǎn)。
(1)該網(wǎng)絡(luò)體系中只能有一臺主機(jī)，可以有多臺從機(jī)；
(2)主機(jī)與從機(jī)都能自主地在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息；
(3)主機(jī)可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行一對多廣播或一對一單播；
(4)從機(jī)所發(fā)信息的接收對象只能是主機(jī)，如果從機(jī)之間必須要通信，則只能通過主機(jī)進(jìn)行周轉(zhuǎn)，這樣就增加了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。
3.1本系統(tǒng)的主從式網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)
基于主從式網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，本項(xiàng)目平臺硬件連接如圖2所示。本系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)的功能有：主機(jī)的計(jì)數(shù)值送1號從機(jī)，主機(jī)的計(jì)數(shù)值加1后送2號從機(jī)；1號從機(jī)和2號從機(jī)的計(jì)數(shù)值分別送主機(jī)間隔3 s循環(huán)顯示。
主機(jī)的程序流程圖如圖3所示，1、2號從機(jī)的程序流程圖如圖4所示。
主從式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，主機(jī)在發(fā)送信息給某臺從機(jī)以前，先在網(wǎng)絡(luò)上廣播接收機(jī)的站地址，待目的站地址回送該地址幀(本文成為握手成功)后再與目的接收機(jī)一對一地進(jìn)行通信。
主從式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，從機(jī)先發(fā)送地址幀信息給主機(jī)(只有主機(jī)能接收)，主機(jī)不回送該地址幀，緊接著，發(fā)送數(shù)據(jù)幀給主機(jī)。主機(jī)間隔3 s輪流顯示兩臺從機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)值。
4基于對等式網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1對等式網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
對等式網(wǎng)絡(luò)中的終端在地位上完全相等，網(wǎng)絡(luò)終端均可以發(fā)送信息給網(wǎng)絡(luò)中其他任何一方，沒有任何限制。
4.2異步串行通信的數(shù)據(jù)格式
異步串行通信數(shù)據(jù)格式如圖5所示。
由其數(shù)據(jù)格式可以看出，網(wǎng)絡(luò)在空閑時(shí)，TXD和RXD網(wǎng)線上始終是高電平，它對構(gòu)建51單片機(jī)之間的連接具有至關(guān)重要的作用。
4.3本系統(tǒng)的對等式網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)
基于對等式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖6所示。
根據(jù)對等網(wǎng)的要求，每臺單片機(jī)的輸出信號都需要送到其他各臺單片機(jī)的輸入口?？紤]到單片機(jī)的TXD端在空閑時(shí)始終處于高電平，因此，另外兩臺單片機(jī)的輸出端TXD的信號通過兩輸入的與門74LS08或CD4081的輸出連接到本機(jī)的RXD端，這樣就能有效地將該3臺單片機(jī)進(jìn)行互連，此時(shí)，每臺單片機(jī)地位平等、沒有主次之分，任何一臺單片機(jī)都能將信息傳遞到任何其他的機(jī)器上。
本系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)的功能有：1號機(jī)的計(jì)數(shù)值送2號機(jī)LED顯示，2號機(jī)的計(jì)數(shù)值送3號機(jī)LED顯示，3號機(jī)的計(jì)數(shù)值送1號機(jī)LED顯示。
4.4系統(tǒng)的軟件流程圖
由于2、3號機(jī)的程序流程圖與1號機(jī)類同，予以省略。1號機(jī)的程序流程圖如圖7所示。
對等式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，每臺機(jī)器在發(fā)送信息給其他某臺機(jī)器以前，先在網(wǎng)絡(luò)上廣播接收機(jī)的站地址，待目的站地址回送該地址幀(握手成功)后再與目的接收機(jī)進(jìn)行一對一的通信。
5信道爭用的應(yīng)對
不論是主從式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還是對等式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都存在多臺機(jī)器同時(shí)往總線上發(fā)送信息導(dǎo)致信息被破壞的情況，為了有效地克服這個(gè)重大的缺陷，本文采用令牌環(huán)的方式來加以規(guī)范和應(yīng)對。
具體的工作機(jī)制如下。
(1)令牌的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)地址幀，它由一個(gè)字節(jié)的變量來表示，該字節(jié)表示當(dāng)前時(shí)刻能往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的站地址，因此，構(gòu)成該網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)總數(shù)可以達(dá)到256臺。
(2)所有連網(wǎng)的單片機(jī)構(gòu)成一個(gè)令牌環(huán)網(wǎng)。
(3)每臺單片機(jī)每次死循環(huán)的最后一項(xiàng)任務(wù)就是在該令牌環(huán)網(wǎng)內(nèi)廣播傳遞令牌。
(4)所有單片機(jī)接收到該令牌后，將令牌中的內(nèi)容和本站地址作一比對，如果相同，則該站可以主動(dòng)往總線上發(fā)送信息；若不相同，則不允許發(fā)送。
(5)除最大站地址外，本站在完成了網(wǎng)絡(luò)傳遞任務(wù)后，會將令牌幀內(nèi)容加1并在網(wǎng)絡(luò)上廣播以傳遞令牌給下一站；而最大地址站則需將令牌幀的內(nèi)容賦為最小站地址，表示下一次能占用網(wǎng)絡(luò)資源的站點(diǎn)地址。
因此，出現(xiàn)了第2節(jié)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的步驟（1）和（5），同時(shí)在前述圖3、圖4以及圖7的流程圖中也已經(jīng)包含了令牌環(huán)的傳遞和處理等功能。
需要特別指出的是，圖3主從式網(wǎng)絡(luò)中，由于從機(jī)之間不能互發(fā)信息，因此從機(jī)之間互發(fā)令牌幀的操作需要通過主機(jī)來周轉(zhuǎn)，由于篇幅限制，在流程圖中沒有詳細(xì)體現(xiàn)出來。
6系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證
6.1主從式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證
硬件仿真原理圖［6］以及仿真結(jié)果如圖8所示。
6.2對等式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證
硬件仿真原理圖以及仿真結(jié)果如圖9所示。
7結(jié)論
本文從服務(wù)分類的角度，對51單片機(jī)異步串口的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)、全面的闡述。實(shí)踐證明上述原理和方法是可行的，但是出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)利用率不高的缺陷，因此，提高總線的利用率是以后研究的重點(diǎn)?！?br/>
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