【正文】 選定及其簡(jiǎn)介 由 上述 方案論證 得出所用的控制器為 89S51 單片機(jī)，單片機(jī)（ 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(jī)算機(jī)，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(shí)器 /計(jì)數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 RS485 與 CAN 總線性能比較見(jiàn)表 ： 特性 RS485 CANbus 成本 低廉 稍高，多 2030元 /節(jié)點(diǎn) 總線利用率 低 高 網(wǎng)絡(luò)特性 單主節(jié)點(diǎn) 多主節(jié)點(diǎn) 數(shù)據(jù)傳輸率 低 高 容錯(cuò)機(jī)制 無(wú) 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制 通訊距離 最大 可達(dá) 10Km（ 5Kb/s） 開(kāi)發(fā)難度 簡(jiǎn)單 需要一定的技術(shù)基礎(chǔ) 表 通過(guò)以上比較， 我們不難發(fā)現(xiàn)雖然 CAN 的優(yōu)勢(shì)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(kāi)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(shí)時(shí)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(shì) 。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(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。這就保證不會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)系 第 13 頁(yè) 共 46 頁(yè) 統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán) (取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符 )采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競(jìng)爭(zhēng)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(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得 CAN 總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間 的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，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(gè)主機(jī)，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(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的 485 芯片，可以達(dá)到 128個(gè)或者 256 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到 400 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 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(zhǎng)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(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測(cè)到低至 200mV 電壓。 為彌補(bǔ) RS232 通信距離短、速率低等缺點(diǎn) ，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jī) 是在 8031 的基礎(chǔ)上推出的增強(qiáng)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(jī)家族的眾多成員中， AT89 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價(jià)格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。而 單片機(jī)的設(shè)計(jì)在滿足大多數(shù)測(cè)控參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)容量相對(duì)要求不高的前提下，大力發(fā)展了其控制功 第 12 頁(yè) 共 46 頁(yè) 能和 控制運(yùn)行的可靠性，因而更適合于檢測(cè)、控制型應(yīng)用場(chǎng)合。 綜合上述 三 種方案， 方案一和二功能強(qiáng)大、控制編成復(fù)雜且成本較高，與 方案 三對(duì)比，方案三硬件簡(jiǎn)單、靈活度大、成本較低，而且就目前所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)， AT89S51 單片機(jī)自帶功能基本都能滿足設(shè)計(jì)需求 。并且，由于芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。方便修改相應(yīng)的場(chǎng)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(qiáng)，工作可靠，但其無(wú)法讀取外部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，、用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入、輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。但是由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)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(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。 方案一：采用 FPGA 為系統(tǒng)的控制器， FPGA 可以實(shí)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(gè)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(yè) 共 46 頁(yè) 3 系統(tǒng) 的硬件設(shè)計(jì) 主要元 器件的選取 主控制器的選擇 硬件設(shè)計(jì)過(guò)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(hào)的采集及處理功能，它的性能的好壞決定著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗與否，因此 ，必須對(duì) 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(jī)都掛接 485 總線上平時(shí)都處于偵聽(tīng)狀態(tài)，隨時(shí)等待其它機(jī)的呼叫。 無(wú)主從機(jī)的通信 系統(tǒng)解決方案 每個(gè)單片機(jī)中的程序都是一樣的，平時(shí)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?cè)谝粋€(gè)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(guò)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(huì)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(gè)燈的亮滅控制鍵，每次按下那就的燈就會(huì)由亮到滅或者由滅到亮，并且每次按下控制板都會(huì)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(yè) 共 46 頁(yè) 2 燈控系統(tǒng) 的總體設(shè)計(jì) 家庭燈控 系統(tǒng)一般應(yīng)用于小范圍區(qū)域， 機(jī)與機(jī)之間沒(méi)有主從之分， 屬于一個(gè)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(jì)數(shù)器計(jì)到 8時(shí)，表示已到達(dá)起始位的中 間位置，此時(shí)采樣值為 0，說(shuō)明是真正的起始位，同時(shí)將計(jì)數(shù)器清零；若采樣值不為 0，則說(shuō)明一開(kāi)始檢測(cè)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(cè)應(yīng)作廢，計(jì)數(shù)器清零，并重新開(kāi)始檢測(cè)起始位。相當(dāng)精確地確定起始位的中間點(diǎn)，從而提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，從這個(gè)基準(zhǔn)開(kāi)始，每隔 16 個(gè) Tc 對(duì)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(shí)鐘的每個(gè)上升沿對(duì)輸入 信號(hào)進(jìn)行采樣，檢驗(yàn)接收數(shù)據(jù)線上的低電平是否保持 8或 9 個(gè)連續(xù)的時(shí)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(shí)鐘周期要比傳輸字符的位周期短，常用的采樣時(shí)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(shí)的數(shù)據(jù)接收 串行異 步通信時(shí)，接收方不斷地檢測(cè)或監(jiān)視串行輸入線上的電平變化，當(dāng)檢測(cè)到有效起始位出現(xiàn)時(shí)，便知道接著是有效字符位的到來(lái)，并開(kāi)始接收有效字符，當(dāng)檢測(cè)到停止位時(shí)，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(shí)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(lái)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(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)通信中最常用的數(shù)據(jù)信息傳輸方式。在異步傳送時(shí)， n = 1， 16， 64，實(shí)際常采用 n = 16，即發(fā)送或接收時(shí)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(shí)鐘 在接收串行數(shù)據(jù)時(shí)，接收時(shí)鐘的上升沿對(duì)接收數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測(cè)，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(shí)鐘 第 6 頁(yè) 共 46 頁(yè) 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)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(shí)鐘和接收時(shí)鐘 在串行通信中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的信號(hào)形式出現(xiàn) ,不論是發(fā)送還是接收，都必須有時(shí)鐘信號(hào)對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。在計(jì)算機(jī)中，一個(gè)符號(hào)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(gè)符號(hào) 所含的信息量剛好為 1 比特，因此在計(jì)算機(jī)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(jī)最快傳輸率為每秒 10 個(gè)字符 /秒，每個(gè)字符包含 11 個(gè)二進(jìn)制位 ,則數(shù)據(jù)傳輸率為 :11位 /字符 10 個(gè)字符 /秒 =110 位 /秒 =110 波特（ Baud）計(jì)算機(jī)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(shí)間 Td 位時(shí)間是指?jìng)魉鸵?個(gè)二進(jìn)制位所需時(shí)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(gè)周期表示邏輯 0；而用頻率為 2400Hz 中的 8個(gè)周期表示邏輯 1。曼徹斯特編碼標(biāo)準(zhǔn)通常用在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的同步通信。如果該位是邏輯 1，則在中間還有一個(gè)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(yè) 共 46 頁(yè) 幅度調(diào)制是用某種電平或電流來(lái)表示邏輯“ 1”，稱為傳號(hào)（ mark）；而用另一種電平或電流來(lái)表示邏輯“ 0”，稱為空號(hào)（ 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(shí)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(shí)，串行口中僅傳送了這個(gè)單詞的首字母 “a”。 缺點(diǎn)： 數(shù)據(jù)傳輸速度低。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 通信成本也較低，只需一個(gè)信道 ，而且 支持長(zhǎng)距離傳輸 。 傳輸?shù)拿恳晃粩?shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，增加位寬無(wú)疑會(huì)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(shí)序傳播信號(hào)，用同一時(shí)序接收信號(hào)，而過(guò)分提升時(shí)鐘頻率將難以讓數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序與時(shí)鐘合拍，布線長(zhǎng)度稍有差異，數(shù)據(jù)就會(huì)以與時(shí)鐘不同的時(shí)序送達(dá)，另外，提升時(shí)鐘頻率還容易引起信號(hào)線間的相互干擾，導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，處理簡(jiǎn)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(guò) 對(duì)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(yàn)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