上海羊羽卓进出口贸易有限公司基于服务的AT89x51单片机的网络体系架构
李浩1，吴建龙1，李长艳2 (1.首钢工学院 机电工程系，北京 100144；2.北京佳点风向网络科技有限公司，北京 100013)
摘要： 详细阐述利用AT89x51单片机异步串行口组成的主从式网络系统和对等式网络系统的特点、硬件构成、通信协议、软件程序流程图以及信道争用的应对等，并通过软件仿真验证了系统设计的正确性。
众所周知，计算机网络的类型可以从多个角度划分,从地理位置上分为局域网、城域网和广域网等；从传输介质上分为有线网、光纤网和无线网等；从拓扑结构上分为星型网络、环形网络、总线网络等；从服务类型上分为主从式(C/S)网络和对等式网络。当然，随着计算机网络在各行各业应用越来越广泛，关注点不同，也就出现了更多的分类方法，此处不再一一列举。本文对基于51单片机构成的主从式网络和对等式网络的体系架构的设计与实现进行详细阐述。
图1是本文项目的载体平台，欲实现的功能是：3台单片机均在00～99范围内循环计数并显示；每台机器上都加装有按键，且每次按下的计数值不一样；每台机器上的计数值不能在本台机器控制的LED上显示，需要通过总线网络传输到其他机器上显示。要实现这个功能，可以利用两种网络架构来实现，即主从式网络和对等式网络。通过查询中国知网、万方数据库以及国内绝大多数的教科书和科技文献可以发现：51单片机多机串口通信方面的内容大多限于主从式网络，即使涉及了对等式网络，这些论文中又将它们人为地分成了A组和B组，异组之间可以随意通信，同组之间的单片机还是不能实现直接通信［13］，没有彻底解决地位“平等”的问题。
AT89x51/52单片机的异步串口由接收端RXD和发送端TXD两个管脚组成。
完成一次传输的基本单位是一个字节，它是通过发送SBUF字节寄存器和接收SBUF字节寄存器来完成的。
串口控制寄存器SCON［4］的各位功能如表1所示。
异步串行通信方式下，该控制寄存器中，对实现多机通信起着关键作用的是SM2和TB8/SB8这3位。这3个控制位的具体工作机制(通信协议)如下。
（1）接收令牌(地址)帧信息，然后与本地站地址比对，如果相同，则可以进行以下步骤；如果不同，则不能往总线上发送信息。
（2）在传输信息以前，必须首先分别将3台单片机的SM2都设置为1，表示发送机即将发送的地址帧信息，其余两台单片机都需要接收。
（3）发送机端需将TB8置位，表示本帧信息为地址帧。两台接收机接收到地址帧后立即与本机地址进行比对，如果相同，则将自己的SM2设置为0，该接收机能对接下来即将发送过来的数据帧产生接收中断，即下一步通信不再是多方接收，而是双机之间的一对一通信；如果不同，则该接收机仍然保持SM2的置位状态，它对接下来发送的数据帧不会产生中断信号RI，因此不予接收。
（4）发送机清零TB8，表示本帧信息为数据帧。只有SM2=0的接收机才能接收到本数据帧，本次数据传输结束，该接收机需将SM2置为1，为下一次接收地址帧作好准备。
（5）令牌字节的处理以及令牌的传递。
经过大量的实验归纳如下：异步串行通信方式下，不论是双机一对一通信还是多机的一对一、一对多通信，中断信号RI与控制位SM2和RB8之间的逻辑关系为：RI=SM2+RB8。
3基于主从式网络的系统实现
当多台51单片机工作于多机主从通信模式下，通信各方之间就有主、从之分；若直接采用TTL电平进行互连，则主机与各台从机之间的连接距离最好不要超过1 m［5］。主从式架构的网络具有如下一些特点。
(1)该网络体系中只能有一台主机，可以有多台从机；
(2)主机与从机都能自主地在网络上发送信息；
(3)主机可以在网络上进行一对多广播或一对一单播；
(4)从机所发信息的接收对象只能是主机，如果从机之间必须要通信，则只能通过主机进行周转，这样就增加了主机的负担。
3.1本系统的主从式网络体系架构
基于主从式网络的特点，本项目平台硬件连接如图2所示。本系统欲实现的功能有：主机的计数值送1号从机，主机的计数值加1后送2号从机；1号从机和2号从机的计数值分别送主机间隔3 s循环显示。
主机的程序流程图如图3所示，1、2号从机的程序流程图如图4所示。
主从式网络架构下，主机在发送信息给某台从机以前，先在网络上广播接收机的站地址，待目的站地址回送该地址帧(本文成为握手成功)后再与目的接收机一对一地进行通信。
主从式网络架构下，从机先发送地址帧信息给主机(只有主机能接收)，主机不回送该地址帧，紧接着，发送数据帧给主机。主机间隔3 s轮流显示两台从机发送过来的数据值。
4基于对等式网络的系统实现
4.1对等式网络的特点
对等式网络中的终端在地位上完全相等，网络终端均可以发送信息给网络中其他任何一方，没有任何限制。
4.2异步串行通信的数据格式
异步串行通信数据格式如图5所示。
由其数据格式可以看出，网络在空闲时，TXD和RXD网线上始终是高电平，它对构建51单片机之间的连接具有至关重要的作用。
4.3本系统的对等式网络体系架构
基于对等式架构的网络系统如图6所示。
根据对等网的要求，每台单片机的输出信号都需要送到其他各台单片机的输入口。考虑到单片机的TXD端在空闲时始终处于高电平，因此，另外两台单片机的输出端TXD的信号通过两输入的与门74LS08或CD4081的输出连接到本机的RXD端，这样就能有效地将该3台单片机进行互连，此时，每台单片机地位平等、没有主次之分，任何一台单片机都能将信息传递到任何其他的机器上。
本系统欲实现的功能有：1号机的计数值送2号机LED显示，2号机的计数值送3号机LED显示，3号机的计数值送1号机LED显示。
4.4系统的软件流程图
由于2、3号机的程序流程图与1号机类同，予以省略。1号机的程序流程图如图7所示。
对等式网络架构下，每台机器在发送信息给其他某台机器以前，先在网络上广播接收机的站地址，待目的站地址回送该地址帧(握手成功)后再与目的接收机进行一对一的通信。
5信道争用的应对
不论是主从式网络系统还是对等式网络系统，都存在多台机器同时往总线上发送信息导致信息被破坏的情况，为了有效地克服这个重大的缺陷，本文采用令牌环的方式来加以规范和应对。
具体的工作机制如下。
(1)令牌的实质就是一个地址帧，它由一个字节的变量来表示，该字节表示当前时刻能往总线上发送数据的站地址，因此，构成该网络的单片机总数可以达到256台。
(2)所有连网的单片机构成一个令牌环网。
(3)每台单片机每次死循环的最后一项任务就是在该令牌环网内广播传递令牌。
(4)所有单片机接收到该令牌后，将令牌中的内容和本站地址作一比对，如果相同，则该站可以主动往总线上发送信息；若不相同，则不允许发送。
(5)除最大站地址外，本站在完成了网络传递任务后，会将令牌帧内容加1并在网络上广播以传递令牌给下一站；而最大地址站则需将令牌帧的内容赋为最小站地址，表示下一次能占用网络资源的站点地址。
因此，出现了第2节网络协议的步骤（1）和（5），同时在前述图3、图4以及图7的流程图中也已经包含了令牌环的传递和处理等功能。
需要特别指出的是，图3主从式网络中，由于从机之间不能互发信息，因此从机之间互发令牌帧的操作需要通过主机来周转，由于篇幅限制，在流程图中没有详细体现出来。
6系统仿真与验证
6.1主从式网络系统仿真与验证
硬件仿真原理图［6］以及仿真结果如图8所示。
6.2对等式网络系统仿真与验证
硬件仿真原理图以及仿真结果如图9所示。
7结论
本文从服务分类的角度，对51单片机异步串口的网络体系结构进行了详细、全面的阐述。实践证明上述原理和方法是可行的，但是出现了网络利用率不高的缺陷，因此，提高总线的利用率是以后研究的重点。
参考文献
［1］ 虞耀君，王晓红，张幼明.对等式令牌测控网络的设计与实现［J］.微计算机信息，2007,23（82）:5153.
［2］ 吴德会,王晓红.对等式测控网的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2005,13(7):627630.
［3］ 杨会成,卓芝强.单片机与PC机串行数据通信的工程实践［J］.微型机与应用，2003,22（5）:2225.
［4］ 杨瑞良，李平，邱清，等.计算机网络技术基础［M］.北京：北京大学出版社， 2008.
［5］ 俞国亮.MCS51单片机原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2010.
［6］ 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例——基于8051+ Proteus仿真（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2012.
PLC如何与单片机进行通讯？共有三种方法！你会用几个？
原创不易,请勿抄袭!
通讯是一个工控朋友学习或者工作到一定程度不得不面对的一个难题,可也是区别新手和高手的一道分水岭,新手遇到通讯问题往往会比较抓狂,不知道如何着手,而老手即使面对没有经验的设备也会有一个大概的思路.有朋友问我关于西门子PLC与单片机通讯的问题,今天给大家汇总一下.
首先西门子PLC与单片机共有三种办法进行信号交换:
1 信号线连接.这是一种最简单的方式,即在单片机和PLC之间进行连接信号线,PLC的输入接单片机输出;PLC输出接单片机输入,这是一种最普遍的方式,通过这种方式PLC几乎可以和任何工控的控制装置连接,比如伺服系统,变频器,机器人等等!缺点是如果需要传递的信号太多,那么电缆数量也会很大,而且一旦电缆损坏,维护起来很困难!
2 自由口通讯,以前我们多次讲到过自由口通讯，而且专门讲解过ASCII码，有需要的朋友可以去我以前的文章里去找，今天不重复了。
3 第三种方法是利用ModBus协议进行通讯。
本节主要讲解以PLC作主站，51单片机作从站，用ModBus协议进行通讯。PLC读取单片机保持寄存器区的数据。S7-200PLC程序主要通过调用Modubs RTU 主站指令库完成。
一、调用 Modbus RTU 主站初始化和控制子程序
使用 SM0.0 调用 MBUS_CTRL 完成主站的初始化，并启动其功能控制：
各参数意义如下:
1 EN 使能：必须保证每一扫描周期都被使能（使用 SM0.0）
2 Mode 模式：为 1 时，使能 Modbus 协议功能；为 0 时恢复为系统 PPI 协议
3 Baud 波特率：支持的通讯波特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200。
4 Parity 校验：校验方式选择；0＝无校验，1＝奇较验，2＝偶较验。
5 Timeout 超时：主站等待从站响应的时间，以毫秒为单位，典型的设置值为 1000 毫秒（1 秒），允许设置的范围为 1 - 32767。
注意： 这个值必须设置足够大以保证从站有时间响应。
6 Done 完成位：初始化完成，此位会自动置1。可以用该位启动 MBUS_MSG 读写操作（见例程）
7 Error 初始化错误代码（只有在 Done 位为1时有效）： 0＝ 无错误，1＝ 校验选择非法，2＝ 波特率选择非法，3＝ 模式选择非法。
二、调用 Modbus RTU 主站读写子程序MBUS_MSG，发送一个Modbus 请求；
各参数意义如下:
常见的错误：
如果多个 MBUS_MSG 指令同时使能会造成 6 号错误库存储区被程序其它地方复用，有时也会造成6 号错误从站 delay 参数设的时间过长会造成主站 3 号错误从站掉电或不运行，网络故障都会造成主站 3 号错误。
含义如下：
1 EN 使能：同一时刻只能有一个读写功能（即 MBUS_MSG）使能
注意：建议每一个读写功能（即 MBUS_MSG）都用上一个 MBUS_MSG 指令的 Done 完成位来激活，以保证所有读写指令循环进行（见例程）。
2 First 读写请求位：每一个新的读写请求必须使用脉冲触发
3 Slave 从站地址：可选择的范围 1 - 247
4 RW 从站地址：0 ＝ 读， 1 ＝ 写；注意：
1. 开关量输出和保持寄存器支持读和写功能
2. 开关量输入和模拟量输入只支持读功能
5 Addr 读写从站的数据地址：选择读写的数据类型
00001 至 0xxxx - 开关量输出
10001 至 1xxxx - 开关量输入
30001 至 3xxxx - 模拟量输入
40001 至 4xxxx - 保持寄存器
6 Count 数据个数；通讯的数据个数（位或字的个数）
注意： Modbus主站可读/写的最大数据量为120个字（是指每一个 MBUS_MSG 指令）
7 DataPtr 数据指针：
1. 如果是读指令，读回的数据放到这个数据区中
2. 如果是写指令，要写出的数据放到这个数据区中
8 Done 完成位 读写功能完成位
9 Error 错误代码：只有在 Done 位为1时，错误代码才有效
0 ＝ 无错误
1 ＝ 响应校验错误
2 ＝ 未用
3 ＝ 接收超时（从站无响应）
4 ＝ 请求参数错误（slave address, Modbus address, count, RW）
5 ＝ Modbus/自由口未使能
6 ＝ Modbus正在忙于其它请求
7 ＝ 响应错误（响应不是请求的操作）
8 ＝ 响应CRC校验和错误
-
101 ＝ 从站不支持请求的功能
102 ＝ 从站不支持数据地址
103 ＝ 从站不支持此种数据类型
104 ＝ 从站设备故障
105 ＝ 从站接受了信息，但是响应被延迟
106 ＝ 从站忙，拒绝了该信息
107 ＝ 从站拒绝了信息
108 ＝ 从站存储器奇偶错误
三、需要从站支持的功能及Modbus 保持寄存器地址映射
为了支持上述 Modbus 地址的读写，Modbus Master 协议库需要从站支持下列功能：
Modbus 保持寄存器地址映射举例：
四、S7-200PLC程序
五、单片机程序;STC11F04E单片机，9600波特率
START: MOV TMOD,#21H ;定时器1是8位再装入，定时器0为16位定时器
MOV TH1,#0FDH;预置初值(按照波特率9600BPS预置初值)
MOV TL1,#0FDH; 0FDH=9600=11.0592
MOV TH0, #0DCH;88H ;8800=12t,7000=stc1t
MOV TL0, #00H
ORL IE, #92H ;EA=1，ES=1;ET0=1
SETB PS ;串口中断优先
SETB TR1 ;启动定时器1
MOV 98H,#50H ;scon
MOV P1M0,#01000000b ; P1M0=0 P1M1=0双向口 P1M0=1 P1M1=0输入口 P1M0=0 P1M1=1推挽输出20ma
MOV P1M1,#10000000b
MOV WDT_CONTR ,#27H 看门狗设置使能
QL0: MOV A,#00H
MOV R0,#10H
MOV R2,#9BH ;10-ABH清零
CLEAR: MOV @R0,A
INC R0
DJNZ R2,CLEAR
CLR FLAG
CLR FLAG_0
SETB TR0 ;启动定时器0
;ANL AUX,#07FH ;p3.0p3.1当串口
ORL AUX,#80H ;p1.7,p1.6当串口
CLR P3.7 ;485芯片接收使能
WA1: ;MOV WDT_CONTR ,#37H;喂狗; SETB CW
JNB FLAG_0,WA1 ;FLAG_0=1表示已经接收到上位机数据
CLR TR0
MOV A,2CH ;检查设备地址是01h码，设本机地址码是1
MOV R2,A
XRL A,#01H
JNZ QL0
ACALL FSZJ ;FH: DB 01H,03H,16,00H,01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H,09H,10H,11H,12H,0DH,0EH,0FH,10H,11H,12H,13H,14H,15H,16H,17H,18H,19H,1AH,1BH,1CH,1DH,1EH,1FH;18
ACALL DELAY
CALL FZJ
AJMP QL0
FZJ: MOV R0,#2cH ;向主机发送数据子程序
FZJ0: MOV R2,#10H
FZJ1: CLR EA
ANL AUX,#07FH ;p3.0p3.1当串口
FZL1: MOV A,@R0
MOV SBUF,A
JNB TI,$
CLR TI
INC R0
DJNZ R2,FZL1
SETB EA
RET
FSZJ: MOV DPTR,#FH
MOV R2,#19;
ORL AUX,#80H
SETB P3.7 ;发送数据
MOV R0,#40H
FSZJA: MOV A,#0H
MOVC A,@A+DPTR
MOV @R0,A
INC R0
INC DPTR
DJNZ R2,FSZJA
MOV R0,#40H
MOV CRCCD,#19
LCALL CRC1
MOV R2,#21
MOV R0,#40H
FSZJ2: MOV A,@R0
MOV SBUF,A
JNB TI,$
CLR TI
INC R0
DJNZ R2,FSZJ2
SETB EA
RET
FH:DB 01H,03H,16,00H,01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H,09H,10H,11H,12H,0DH,0EH,0FH,10H,11H,12H,13H,14H,15H,16H,17H,18H,19H,1AH,1BH,1CH,1DH,1EH,1FH;18
用串口助手检测到的数据如下图。
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