项目 7 双机异步通信系统的设计、仿真与制作

项目 7 双机异步通信系统的设计、仿真与制作

• 7. 1 工作任务• 7. 2 理论基础• 7.3 工作过程• 7. 4 能力拓展

7. 1 工作任务

• 本项目的工作任务是设计一种双机异步通信系统。设甲机发送乙机接收，波特率为 2400 波特，两机晶振率频均为 6MHz 。要求甲机能够将外部数据存储器 4000H ~40FFH 单元的存储信息向乙机发送，在发送数据之前将数据块长度发送给乙机，发送完 2568 后，向乙机发送一个累加和校验。数据传送结束时，向甲机发送一个状态字节，表示传送是正确还是错误。

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7. 2 理论基础

• 7. 2.1 串行通信基础• 在通信领域内，有两种数据通信方式 : 并行通信和串行通信。• 并行通信是指将数据的各位用多条数据线同时进行传输，其优点是传

送速度快，缺点是需要传输线较多，所以并行通信适用于短距离数据传送。并行通信示意图如图7一1所示。

• 串行通信是指将数据只用一条数据线一位一位地依次传输，通过单片机的串行接口进行通信。其优点是只需一条数据线，缺点是传输速率较低。所以串行通信特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串行通信示意图如图7 -2所示。

• 1. 串行通信方式• 按照串行数据的始终控制方式不同，串行通信分为异步通信和同步通

信。

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7. 2 理论基础• 2. 串行通信制式• 串行通信按数据传输方向可分为 : 单工、半双工和全双工。• 单工是指两个通信设备中一个只能发送，一个只能接收，数据传送方

向是单向的，如图7一3(a) 所示。半双工是指两个通信设备中都有一个发送器和一个接收器，相互可以

发送和接收数据，但不能在两个方向上同时传送，如图 7 -3(b) 所示。• 全双工是指两个通信设备可以同时发送和接收数据，数据传送可以在

两个方向同时进行，如图 7 一 3(c) 所示。• 3. 串行口连接• 如果距离很近，只需两根信号线 (TXD,RXD) 和一根地线 (GND) 就可

以实现，如图7 -4所示。

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7. 2 理论基础

• 当距离在 15 米以内，可采用 RS -232 接口实现，如图7 -5所示。• 如果是远程通信，可通过调制解调器 (Modern) 进行通信互联。• 将调制器和解调器组合在一起就构成了调制解调器 . 如图7一6所示。

• 7.2.2 MCS -51 单片机的串行接口• MC5 一 51 单片机内部有一个可编程的全双工串行通信接口。• 1. 串行口的结构• MCS -51 单片机串行口结构如图7 -7所示。它主要由两个数据缓冲寄

存器和一个输入移位寄存器组成。• MCS -51 单片机串行口通过编程可设置 4 种工作方式， 3 种帧格式。


7. 2 理论基础• 方式 0 ，以 8 位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最

低位。其帧格式如下 :

• 方式 1 ，以 to 位数据为一帧传输，设有一个起始位“ o”,8 个数据位和一个停止位“ 1 ” 其帧格式为 :

• 方式 2 和 3 ，以 11 位数据为一帧传输，设有一个起始位“ 0" , 8 个数据位， 1 个可编程位 ( 第九位数据 )D8 和一个停止位“ 1" 。其帧格式如下 :


7. 2 理论基础• 2. 串行口控制寄存器• SCON 用于确定串行通道的工作方式选择、接收和发送控制以及串行

口的状态标志。其格式及功能如下 :

• (1)sMo 和 SM1: 工作方式控制位，可构成以下 4 种工作方式 :


7. 2 理论基础• (2)SM2: 在方式 2 和方式 3 中用于多机通信控制。• (3)REN: 允许串行接收控制位。• (4)TB8: 在方式 2 和方式 3 中，它是准备发送的第 9 个数据位。• (5RB8: 在方式 2 和方式 3 中，它是接收到的第 9 个数据位。• (6)T1: 发送中断标志位• (7)RI: 接收中断标志位• 串行发送中断标志与接收中断标志是同一个中断源，在全双工通信时，

必须用软件来判断是发送中断请求还是接收中断请求。• 3. 电源控制寄存器• PCON 是为了在 CHMOS 的 80C51 单片机上实现电源控制而设置的，

其中只有一位 SMOD 与串行口工作有关。它的格式与功能如下 :


7. 2 理论基础

• SMOD 称为波特率选择位。• 4. 串行通信的工作方式• 串行通信的工作方式包括 :• (1) 工作方式 0• 在方式 0 下，串行口作同步移位寄存器使用，其波特率为 Fosc/12 ,

即振荡器频率的 1/12 ，固定不变。串行数据由 RXD ( P3. 0) 端输入或输出。同步移位脉冲由 TXD ( P3.1) 端送出。这种方式常用于扩展I/() 口。


7. 2 理论基础• 发送时，当一个数据写人发送缓冲寄存器 SBUF(99H) 时，即启动发

送。串行口把 8 位数据以 Fosc/12 的波特率从 RXD 送出，低位在前，高位在后，发送完置中断标志 TI 为“ 1” 。具体接线如图7一8所示，其中 74HC164 是“串入并出”移位寄存器。

• 接收时， REN 是串行口允许接收控制位。具体接线如图7 -9所示，其中 74HC165 是“并入串出”移位寄存器。

• 串行控制寄存器中 TB8 和 RB8 位在方式 0 中未用。• (2) 工作方式 1• 在方式 1 下，串行口为 10 位通用异步接口。• 发送时，数据从引脚 TXD ( P3. 1) 端出，当数据写入发送缓冲寄存器

SBUF 时，即启动发送器发送。当发送完一帧数据后，就把 TI 标志置“ 1" ，并申请中断。


7. 2 理论基础• 接收时，由 REN 置“ 1” ，允许接收。• (3) 工作方式• 在方式 2 下，串行口为 11 位异步通信接口。• 发送前，先根据通信协议由软件设置 TB8( 如作奇偶校验位或地址 /

数据指针标识位 ) ，然后将要发送的数据写人 SBUF 即启动发送器。• 发送过程是由执行任何一条以 SBUF 作为目的寄存器的指令而启动的。• 接收时，由 REN 置“ 1” ，允许接收，同时将 RI清“ 0” 。• (4) 工作方式 3• 方式 3 为波特率可变的 11 位异步通信方式。除波特率外，方式 3 和

方式 2 完全相同。


7. 2 理论基础

• 7. 2. 3 串行通信的常用标准接口• 1. RS -232C 串行接口• RS -232C 是一种由美国 EIA ( Electronic Industrial Associate)协会公布和推荐的电压控制的异步串行总线接口标准 (Recommend Standard ) 。 RS - 232 C 主要定义了计算机系统的一些按位串行传输的数据终端设备 (DTE) 和数据通信设备 (DCE) 之间的接口信息。 RS - 232 C 标准的信号传输的最大电缆长度为 15 米，最高数据传输速率为 20 Kbit/ s 。目前，已广泛应用于计算机与终端或外设之间的近端连接，适合于短距离或带调制解调器的通信场合。

• (1) RS -232C 连接器及引脚定义


7. 2 理论基础

• 目前，大部分计算机的 RS - 232 C 通信接口都使用了 DB9 连接器，如图7一10所示，主板的接口连接器有 9 根针输出 (RS - 2犯公头 ) ，也

• 有些比较旧的计算机使用 DB25 连接器输出，连接器外形如图7一11

所示。• (2)RS 一 232 C 电气特性• RS - 232 C 不能直接与 TTL 电路连接，使用时必须加上适当的电平转换

电路，否则将使 TTL 电路烧毁。• (3)RS 一 232 C 电平转换• 由于 TTL 电平和 RS 一 232 C 电平互不兼容，所以两者对接时，必须进

行电平转换。以美国MAXIM公司的产品MAX232 为例。它是 RS - 232 C 双工发送器 / 接收器接口电路芯片，其外部引脚如图7一12所示。该芯片与 TTL/CMOS 电平兼容，使用比较方便。使用 MAX232 实现 TTL/RS -2320 之间的电平转换电路如图7一13所示。


7. 2 理论基础• (4) 采用 RS -2320 接口存在的问题• ①传输距离短，传输速率低• ②有电平偏移• ③抗干扰能力差• 2. RS -422A 接口• 在现代网络通信中已暴露出明显的缺点 : 传输速率低、通信距离短、

接口处信号容易产生串扰等。因此， EIA又制定了 RS -422A 标准。• RS - 232 C既是一种电气标准，又是一种物理接口功能标准，而 RS

-422A仅仅是一种电气标准。 PC 机不带 RS -422A 接口，因此要使用 RS -232/RS -422A转换器，把 RS - 232 C 接口转换成 RS -422A接口。


7. 2 理论基础• (1) 电气特性• RS -422A 与 RS -232C 的主要区别是，收发双方的信号地不再共地，

RS 一 422A 标准规定平衡驱动和差分接收的方法。• 输入同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反

相信号。当一个表示逻辑“ 1” 时，另一条一定为逻辑“ 0” 。• RS 一 422 A 能在长距离、高速率下传输数据。它的最大传输率为

10Mbit/s ，在此速率下，电缆允许长度为 12 m ，如果采用较低传输速率时，最大传输距离可达 1200tno RS 一 422A 电路由发送器、平

• 衡连接电缆、电缆终端负载、接收器四部分组成。• (2) 电平转换


7. 2 理论基础• TTL 电平转换成 RS 一 422 A 电平的常用芯片 :SN75174 , MC3487等。 RS 一 422 A 电平转换成 TTL 电平的常用芯片 :SN75175 , MC3486等。

• 出的单片四差分驭动器和接收器，采用 +SV 电源供电。图7一15给出电平转换芯片 SN75174,SN75175 内部结构及引脚图。

• TTL 电平与 RS -422A 电平转换电路如图7一16所示。• 3. RS - 485 串行接口• (1) 电气特性• RS -485 的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑“ 1” 和逻辑“ 0” ，

由于收发方需要两根传输线。数据采用差分传输，所以干扰抑制性好。• 总线两端接匹配电阻 (1000 SL左右 ) ，驱动器负载为 54 Ω o


7. 2 理论基础• (2) 电平转换• 在 RS -422A 标准中所用的驭动器和接收器芯片，在 RS - 485 中均可以

使用。 RS 一 485 点对点远程通信电路如图7一17所示。• 4. 20mA 电流环串行接口• 该接口要比 RS -232C 接口简单的多，它只有 4 根线 : 发送正、发送负、

接收正和接收负，四根线组成一个输入电流回路、一个输出电流回路。• 当发送数据时，根据数据的逻辑“ 1”“0” ，有规律的使回路形成通、断

状态，即环路中无电流表示逻辑“ 0” ，有 20mA 电流表示逻辑“ 1” 。• 工作原理如图7一18所示。• 20mA 电流环串行通信接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，且易实现光电隔离。

• 图7-19是一个由集成芯片构成的 20mA 电流环接口线路图。

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7. 3 工作过程

• 7. 3. 1 构思• 学生查阅该项目相关资料，如教材、参考书目、图书、网络资源等，

收集双机通信的信息，包括单片机双机通信的应用场合、系统的发展现状、双机通信的应用技术要求等 ;教师采用多媒体课件讲授该项目理论知识相关内容，为学生制作双机通信系统奠定理论基础 ;教师带领学生走访、参观单片机工作现场，通过观看、提问获取单片机实际应用的知识，通过与指导教师和单片机工作人员交谈，解决该项目设计和制作的疑难问题。最终完成学生工作页 ( 表7-2) 的填写。

• 7. 3. 2 设计• 1. 单片机选型• 2. 电源、时钟电路和复位电路

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7. 3 工作过程• 3. 双机通信硬件接口设计• 目前我们的温度测控系统中两片单片机之间距离很近，因此选择三线

制接法 .如图7一20所示。• 4. 系统硬件电路图• 根据以上设计思路，设计出系统的硬件电路图，如图7 -21所示。• 5. 软件程序设计• 该项目的程序流程图如图7 - 22所示。• 6. 系统仿真• 系统仿真电路图如图7一23所示。

• 7.3.3 项目实施• 1. 制作双机通信系统的电路板


7. 3 工作过程

• 所需元件清单，如表7一3所示。• 焊接完成后，要进行硬件电路的测试。• ①测试单片机的电源和地是否正确连接 ;• ②测试单片机的时钟电路和复位电路是否正常 ;• ③测试 EA引脚是否与电源相连 ;• ④测试 LED 数码管动态显示电路是否正确 ;• ⑤测试下载口界限是否正确。• 小组反复讨论、分析并调试好单片机系统的硬件。• 2. 联机调试


7. 3 工作过程

• 7. 3. 4 项目评价• 以教师为主，通过教师评价、学生自评、学生互评、成果评定等四个

方面对学生的项目完成情况进行综合评价 ; 同时对项目报告进行评价 ; 按项目的技术指标进行评价 ;对实施记录和实训报告进行评价 ;以及对学生的学习态度、工作态度、团结协作精神、出勤率、敬业爱岗和职业道德进行评价。以专兼教师为主，按以下几个方面对学生完成项目的整个过程进行评价，项目考核具体内容见表7 -4所示。

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7. 4 能力拓展• 1. 多台单片机之间的通信连接方式• 80051 的方式 2 和方式 3 具有多机通信的功能。这一功能使它可以方便地应用于集散式分布系统中。这种系统采用一台主机与多台从机构成主从总线式多机系统，其连接方式如图7一24所示。

• 多机通信的实现，主要靠主、从机之间正确地设置与判断多机通信控制位 SM2 及发送或接收的第 9 数据位 (D8) 。

• 通信只能在主从机之间进行，从机之间的通信只有经主机才能实现。多机之间的通信过程可归纳如下 :

• ①主、从机均初始化为方式 2 或方式 3 ，置 SM2 =1 ，允许中断 ;• ②主机置 TB8 = 1 ，发送要寻址的从机地址 ;• ③所有从机均接收主机发送的地址，并进行地址比较 ;

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7. 4 能力拓展• ④被寻址的从机确认地址后，置本机 SM2 -0 ，向主机返回地址，供

主机核对 ;• ⑤核对无误后，主机向被寻址的从机发送命令，通知从机接收或发送

数据 ;• ⑥通信只能在主、从机之间进行，两从机之间通信要通过主机作中

介 ;• ⑦本次通信结束后，主、从机重置 SM2 =1 ，主机可再对其他从机寻址。

• 2. 单片机与 PC 机之间的通信• 在实际应用中，因为单片机功能有限，因而在较大的测控系统中，常

常把单片机应用系统作为前端机 (也称为下位机或从机 ) ，直接用于控制对象的数据采集与控制，而把 PC 机作为中央处理机 (也称为上位机或主机 ) ，用于数据处理和对下位机的监控管理。


7. 4 能力拓展• 它们之间的信息交换主要是采用串行通信，此时单片机可直接利用其

串行接口，而 PC 机可利用其标准的 RS -2320总线接口。• 图7一25为采用 MAX202芯片实现 80 C51 单片机与 RS 一 232 通信

标准电平转换的连接框图。• PC 机与单片机之间进行通信时，也要考虑通信协议的问题，双方应共同约定通信的波特率、数据通信格式、控制命令字和状态字格式等等。

• 3. PC 机与多个 MCS - 51 单片机的串行通信接口 ( 如图7 - 26所示)

• 1 台 PC 机与数台 51 单片机进行多机通信的 RS - 485 串行通信接口电路如图7 - 27所示。


7. 4 能力拓展• 4. 单片机与 PC 机的通信• 在工控系统 (尤其是多点现场工控系统 ) 设计实践中，单片机与 PC

机组合构成分布式控制系统是一个重要的发展方向，如图7 -28所示。分布式系统主从管理，层层控制。

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图 7 一 1 并行通信示煮图

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图 7 -2 串行诵信示煮图

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图 7 -3 串行通信传输方式示意图

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(a)单工 ;(b)半双工 ;(c) 全双工

图 7 – 4 三线连接图

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图 7 一 5 RS 一 232 接口连接图

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图 7 一 6 Modem 远程连接图

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图 7 -7 串行口结构框图

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图 7 一 8 方式 0 用干 I/O 扩展输入

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图 7 一 9 方式 0 用干 I/O 扩展输出

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图 7 一 10 计算机 RS -232 串行通信接口

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图 7 一 11 RS -232 连接器外形图

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表 7 -1 DB9 和 DB25 输出接口的引脚定义

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图 7 一 12 MAX232引脚图

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图 7 一 13 MAX232芯片应用电路图

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图 7 一 14 RS -422A芯片应用电路图

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图 7 一 15 SN75174,SN75175芯片引脚图

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图 7 一 16 SN75174,SN75175 电平转换电路图

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图 7 一 17 RS -485 点对点远程通信电路图

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图 7 -18 20mA 电流环串行接口工作原理图

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图 7 一 19 20mA 电路连接口线路图

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表 7 -2 学生工作页

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图 7 一 20 双机异步通信的连接线路图

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图 7 一 21 双机通信系统的硬件电路图

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图 7 -22 双机通信系统程序流程图

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图 7 一 23 双机通信系统仿真电路图

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表 7 -3 元件清单

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表 7 -4 项目考核表

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图 7 一 24 多机通信连接图

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图 7 一 25 80 C51 与 RS232 电平转换连接图

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图 7 一 26

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图 7 一 27

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图 7 一 28

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