【正文】 選定及其簡介 由 上述 方案論證 得出所用的控制器為 89S51 單片機，單片機（ MICROCONTROLLER，又稱 為 微控制器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機算機，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存貯器 RAM、程序存貯器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 RS485 與 CAN 總線性能比較見表 ： 特性 RS485 CANbus 成本 低廉 稍高，多 2030元 /節(jié)點 總線利用率 低 高 網(wǎng)絡(luò)特性 單主節(jié)點 多主節(jié)點 數(shù)據(jù)傳輸率 低 高 容錯機制 無 可靠的錯誤處理和檢錯機制 通訊距離 最大 可達(dá) 10Km（ 5Kb/s） 開發(fā)難度 簡單 需要一定的技術(shù)基礎(chǔ) 表 通過以上比較， 我們不難發(fā)現(xiàn)雖然 CAN 的優(yōu)勢比較大，但在本系統(tǒng)中采用 RS485 已經(jīng)足以滿足要求，而不必再采用開發(fā)難度較大成本較高 的 CAN。 CAN bus 總線在通信能力可靠性、實時性、靈活性、易用性、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低等方面有著明顯的優(yōu)勢 。再者， CAN 具有完 善的通信協(xié)議，可由 CAN 控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。這就保證不會出現(xiàn)，當(dāng)系 第 13 頁 共 46 頁 統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。 CAN 控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán) (取決于報文標(biāo)識符 )采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN 協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得 CAN 總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間 的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。RS485 總線上只能有一個主機，往往應(yīng)用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。 RS485 總線一般最大支持 32 個節(jié)點，如果使用特制的 485 芯片，可以達(dá)到 128個或者 256 個節(jié)點，最大的可以支持到 400 個節(jié)點。 RS485/422 最大 的通信距離約為 1219M，最大傳輸速率為 10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在 100Kb/S 的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加 485 中繼器 。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測到低至 200mV 電壓。 為彌補 RS232 通信距離短、速率低等缺點 ，人們又提出了RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)。所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線的分布電容，其傳輸距離最大 約為 15M，最高速率為 20KBPS，且其只能支持點對點通信。 RS232 采取不平衡傳輸方式，即單端通訊。 （ 2）總線 標(biāo)準(zhǔn) 的選擇 方案一： 采用 RS232。由于 AT89S51 單片機 是在 8031 的基礎(chǔ)上推出的增強型產(chǎn)品，并提高了芯片的集成度，因此在性能上大為提高，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴(kuò)展了功能單元的種類和數(shù)量。 而 在單片機家族的眾多成員中， AT89 系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。而 單片機的設(shè)計在滿足大多數(shù)測控參數(shù)對數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)容量相對要求不高的前提下，大力發(fā)展了其控制功 第 12 頁 共 46 頁 能和 控制運行的可靠性，因而更適合于檢測、控制型應(yīng)用場合。 綜合上述 三 種方案， 方案一和二功能強大、控制編成復(fù)雜且成本較高，與 方案 三對比，方案三硬件簡單、靈活度大、成本較低，而且就目前所要設(shè)計的系統(tǒng)， AT89S51 單片機自帶功能基本都能滿足設(shè)計需求 。并且，由于芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。方便修改相應(yīng)的場景參數(shù)，易于功能擴(kuò)展，還可以與其它 控制模塊 進(jìn)行通 信。 因此它的 抗 干 擾能力強，工作可靠，但其無法讀取外部存儲器的數(shù)據(jù)。它采用一類可編程的存儲器，、用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入、輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。但是由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。 方案一：采用 FPGA 為系統(tǒng)的控制器， FPGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。 單個控制板的總體原理圖 圖 2. 總體 原理 圖 按鍵 主控制器 控制 輸出 RS485 器件 狀態(tài)顯示 第 11 頁 共 46 頁 3 系統(tǒng) 的硬件設(shè)計 主要元 器件的選取 主控制器的選擇 硬件設(shè)計過程中控制器是系統(tǒng)的核心部分，它能夠控制系統(tǒng)的信號的采集及處理功能，它的性能的好壞決定著系統(tǒng)設(shè)計的成敗與否，因此 ，必須對 主控制器從功能和應(yīng)用性能進(jìn)行選擇。 燈控 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 圖 中 各機都掛接 485 總線上平時都處于偵聽狀態(tài)，隨時等待其它機的呼叫。 無主從機的通信 系統(tǒng)解決方案 每個單片機中的程序都是一樣的，平時都處于接收信息的狀態(tài)，一旦有 按鍵按下則調(diào)用相應(yīng)的處理程序進(jìn)行相應(yīng)的選擇房間或者照明燈的狀態(tài)處理。 家庭 概況 假如我們在一個房間或者一層樓中，想控制其它房間或者其它樓層的照明燈的亮滅情況，我們可以通過控制板首先按下所要選擇的房間或者樓層，然后控制板上就會顯示你所選房間或者樓層的 照明燈的亮滅情況，接著根據(jù)需要按下各個燈的亮滅控制鍵，每次按下那就的燈就會由亮到滅或者由滅到亮，并且每次按下控制板都會將燈的狀態(tài)送回所選擇的房間或者樓層，從而達(dá)到控制的目的。 第 9 頁 共 46 頁 2 燈控系統(tǒng) 的總體設(shè)計 家庭燈控 系統(tǒng)一般應(yīng)用于小范圍區(qū)域， 機與機之間沒有主從之分， 屬于一個典型的小范圍內(nèi)的分布式應(yīng)用。 ⑷ 如果停止位采樣正確（為 1），則字符被接收，并由暫存器裝入寄存器。 ⑵ 當(dāng)計數(shù)器計到 8時，表示已到達(dá)起始位的中 間位置，此時采樣值為 0，說明是真正的起始位，同時將計數(shù)器清零；若采樣值不為 0，則說明一開始檢測到的下降沿不是真正的起始位前沿，而是一次干擾，此次檢測應(yīng)作廢，計數(shù)器清零，并重新開始檢測起始位。相當(dāng)精確地確定起始位的中間點，從而提供一個時間基準(zhǔn)，從這個基準(zhǔn)開始，每隔 16 個 Tc 對其余數(shù)據(jù)位采樣，以確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性。接收器的采樣時鐘的每個上升沿對輸入 信號進(jìn)行采樣，檢驗接收數(shù)據(jù)線上的低電平是否保持 8或 9 個連續(xù)的時鐘周期，以確定傳輸線上的低電平是否是真的起始位。 通常接收端的采樣時鐘周期要比傳輸字符的位周期短，常用的采樣時鐘頻率為位頻率的 16 倍，采取這種措施是為了提高抗干擾能力，參看圖 所示。 串行異步通信時的數(shù)據(jù)接收 串行異 步通信時，接收方不斷地檢測或監(jiān)視串行輸入線上的電平變化，當(dāng)檢測到有效起始位出現(xiàn)時，便知道接著是有效字符位的到來，并開始接收有效字符，當(dāng)檢測到停止位時，就知道傳輸?shù)淖址Y(jié)束了。 ⑸ 空閑位：空閑位表示線路處于空閑狀態(tài)，此時線路上為邏輯“ 1”電平。 ⑷ 停止位：停止位為 1位、 位或 2位，可有軟件設(shè)定。數(shù)據(jù)位究竟是幾位，可由硬件或軟件來設(shè)定。 ⑵ 數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位為 58位，它緊跟在起始位之后，是被傳送字符的有效數(shù)據(jù)位。串行異步傳輸時的數(shù)據(jù)格式如 圖 所示。收、發(fā)雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設(shè)置起始位和停止位。 異步通信協(xié)議 串行異步通信時的數(shù)據(jù)格式 異步方式通信 ASYNC（ Asynchronous Data Communication） ,又稱起止式異步通信，是計算機通信中最常用的數(shù)據(jù)信息傳輸方式。在異步傳送時， n = 1， 16， 64，實際常采用 n = 16，即發(fā)送或接收時鐘的頻率要比數(shù)據(jù)傳送的波特率高 n倍。 B 是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩? n 稱為波特率因子。 ⑵ 接收時鐘 在接收串行數(shù)據(jù)時，接收時鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數(shù)據(jù)輸出。 ⑴ 發(fā)送時鐘 第 6 頁 共 46 頁 發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入移位寄存 器，然后在發(fā)送時鐘的控制下，將該并行數(shù)據(jù)逐位移位輸出。 串行通信的 發(fā)送時鐘和接收時鐘 在串行通信中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的信號形式出現(xiàn) ,不論是發(fā)送還是接收，都必須有時鐘信號對傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。在計算機中，一個符號的含義為高低電平，它們分別代表邏輯“ 1”和邏輯“ 0”，所以每個符號 所含的信息量剛好為 1 比特，因此在計算機通信中，常將比特率稱為波特率，即： 1 波特（ B） = 1 比特（ bit） = 1 位 /秒（ 1bps） 例如 :電傳打字機最快傳輸率為每秒 10 個字符 /秒，每個字符包含 11 個二進(jìn)制位 ,則數(shù)據(jù)傳輸率為 :11位 /字符 10 個字符 /秒 =110 位 /秒 =110 波特（ Baud）計算機中常用的波特率是： 1 300、600、 1200、 2400、 4800、 9600、 19200、 28800、 33600，目前最高可達(dá) 56Kbps. ⑶ 位時間 Td 位時間是指傳送一 個二進(jìn)制位所需時間，用 Td 表示。 ⑴比特率：比特率是指每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，用 bps （ bit/s)表示。它用頻率為 1200Hz 中的 4個周期表示邏輯 0；而用頻率為 2400Hz 中的 8個周期表示邏輯 1。曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)通常用在兩臺計算機之間的同步通信。如果該位是邏輯 1，則在中間還有一個電平跳變；而邏輯 0僅有位邊沿跳變。從圖中可看出。 ① 曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)，它的數(shù)據(jù)形式如圖 所示。線路中存在 60mA 電流表示邏輯 1，不存在 60mA 電流表示邏輯 0。線路中存在 20mA 電流表示邏輯 1，不存在 20mA 電流表示邏輯 0。 ② RS232 標(biāo)準(zhǔn)：用 5V— 15V 之間的任意電平表示邏輯“ 1” ；用 +5V — +15V 電平表示邏輯“ 0”，這里采用的是負(fù)邏輯。 圖 mark/space 串行數(shù)據(jù) 使用 mark/space 形式通常有四種標(biāo)準(zhǔn)， TTL 標(biāo)準(zhǔn)、 RS232 標(biāo)準(zhǔn)、 20mA 電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)和60mA 電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)。 ⑴ 調(diào)幅方式 第 4 頁 共 46 頁 幅度調(diào)制是用某種電平或電流來表示邏輯“ 1”，稱為傳號（ mark）；而用另一種電平或電流來表示邏輯“ 0”，稱為空號（ space）。 串行數(shù)據(jù)在傳輸線上的形式和標(biāo)準(zhǔn) 串行數(shù)據(jù)在傳輸時通常采用調(diào)幅（ AM）和調(diào)頻（ FM）兩種方式傳送數(shù)字信息。當(dāng)并行口完成單詞 “advanced”的傳送任務(wù)時，串行口中僅傳送了這個單詞的首字母 “a”。 缺點： 數(shù)據(jù)傳輸速度低。 這種方法的優(yōu)點是 通信成本也較低，只需一個信道 ，而且 支持長距離傳輸 。 傳輸?shù)拿恳晃粩?shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度，其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息。從制造成本的角度來說，增加位寬無疑會導(dǎo)致主板和擴(kuò)充板上的布線數(shù)目隨之增加，成本隨之攀升。首先，由于并行傳送方式的前提是用同一時序傳播信號，用同一時序接收信號，而過分提升時鐘頻率將難以讓數(shù)據(jù)傳送的時序與時鐘合拍，布線長度稍有差異，數(shù)據(jù)就會以與時鐘不同的時序送達(dá)，另外，提升時鐘頻率還容易引起信號線間的相互干擾，導(dǎo)致傳輸錯誤。這種方法的優(yōu)點是傳輸速度快，處理簡單。并行方式主要用于近距離通信。發(fā)送設(shè)備將這些數(shù)據(jù)位通過 對應(yīng)的數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗位。在通信領(lǐng)域內(nèi)，有兩種數(shù)據(jù)通信方式： 并行 通信 和