CN102546033A

CN102546033A - 采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置

Info

Publication number: CN102546033A
Application number: CN2011104189165A
Authority: CN
Inventors: 房军杰; 周伟强; 黄俊良
Original assignee: GUANGDONG JIAHE COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG JIAHE COMMUNICATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种可明显增加传输距离、抗干扰能力强、主从机的软硬件兼容性良好的多机通信装置。该多机通信装置包括一台主机和与该主机通信的若干从机，每个从机与所述主机之间均设置有辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ，所述辅助通信单元Ⅰ与主机之间通过串行接口通信，所述辅助通信单元Ⅱ与相应的从机之间通过串行接口通信，所述辅助通信单元Ⅰ与所述辅助通信单元Ⅱ之间通过脉冲调制的载波方式传递数据。由于本发明的多机通信装置在主机和从机之间增加了辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ，二者之间采用脉冲调制载波通信，这样可明显增加传输距离，同时也提高了抗干扰的能力。

Description

采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置

技术领域

本发明涉及单片机应用的多机通信领域，特别是涉及一种采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置。

背景技术

随着单片机技术的不断发展和控制系统的复杂化，单机的应用已经逐渐不能满足需要。在构成较大规模的检测、控制和通信系统，经常要采用多个单片机，组成可以通信的多机系统，由单机构成的多机通信系统已经成为单片机应用的一个重要分支，多机通信系统应用的关键就在于多机之间的互相通讯、互传数据信息。单片机多机通信的目的是实现分布式处理系统，在分布式处理系统中，为了便于集中控制与管理，须将多个前置机(从机，如多功能电话机)的信息和状态传送到主控机(主机，如智能交换机中的主控板),主控机也需要控制各从机的运行和状态，因此大多数多机通信系统都采用这种主从式形式，并且这种形式具有接口简单，使用灵活等优点。

在主从式多机系统中, 只有一台主机, 但从机可以有多台。主机发送的信息可以传送到各个从机或指定从机, 从机发送的信息只能被主机接收, 各从机之间不能直接通信。主机通常由系统机充任, 也可由单片机担当, 从机通常为单片机。如图1所示，在现有的多机通信系统中，所有设备的串行接口是并在通信线上的，多机通信模式允许多个从机并在通信线路上，接收一个主机发出的数据，但是其中只能有一个设备为主机，其他为从机。帧格式一般采用1位起始位、9位数据位，其中第9位（RB8）被用作为表征该帧是地址帧还是数据帧。当帧类型表征位为“1”时，表示该帧数据为一个地址帧，当帧类型表征位为“0”时，表示这个帧为一个数据帧。通过对接收到的地址帧中的地址进行解码，确定哪个从机被主机寻址，如果某个从机被主机寻址（从机地址可由各个从机的软件设定或硬件设定），它将接收接下来主机发出的数据帧，而其它的从机因为使能了串口接收器对接收到的数据帧进行过滤的功能，因此从机接收器对接收到的那些不是地址信息帧的数据帧将进行过滤，不将其放入接收缓冲器中，直到再次接收到一个地址帧。这在多机通信中有效地方便了从机对处理数据帧程序的编写，而发送器则不受过滤器功能设置的影响，但是现有的多机通信系统也存在较大缺陷，主要体现在：1：传输距离短，一般不超过20米；2：距离大时有电平偏移，串行接口(RS-232)总线标准要求收发双方共地，通信距离较大时，收发双发的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电流并产生压降；3：兼容性不好，从机地址需要在从机上通过软件或硬件设置，当从机功能相同时(比如同一种功能的多功能话机)，这种结构不能做到硬件软件的兼容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可明显增加传输距离、抗干扰能力强、主从机的软硬件兼容性良好的多机通信装置。

本发明所采用的技术方案是：本发明涉及的多机通信装置包括一台主机和与该主机通信的若干从机，每个从机与所述主机之间均设置有辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ，所述辅助通信单元Ⅰ与主机之间通过串行接口通信，所述辅助通信单元Ⅱ与相应的从机之间通过串行接口通信，所述辅助通信单元Ⅰ与所述辅助通信单元Ⅱ之间通过脉冲调制的载波方式传递数据。

具体实施中，所述辅助通信单元Ⅰ与主机位于同一硬件电路板上，所述辅助通信单元Ⅱ与相应的从机位于另一硬件电路板上。

进一步，所述辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ均为单片机。

具体来说，所述辅助通信单元Ⅰ通过检测各自在所述主机的主板上的I/O端口管脚高低电平的排列来确定地址。

具体来说，所述辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ之间传递数据的脉冲信号包括开始位、原始数据和结束位，原始数据中的信号1和信号0由辅助通信单元Ⅰ或辅助通信单元Ⅱ接收到的对方的I/O 端口模拟输出的电平变换次数来界定。

在实际应用中，所述开始位、信号1、信号0以及结束位所包括的脉冲数量是由范围值组成，对方接收到的脉冲数量在该范围值内则确认接收成功。这样可以大大提高了系统的抗干扰能力。

本发明的有益效果在于：

1：由于本发明的多机通信装置在主机和从机之间增加了辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ，二者之间采用脉冲调制载波通信，这样可明显增加传输距离，可以达到400米，在线路最大阻抗不超过30欧姆的条件下还可传输更远。

2：其中采用脉冲调制方法的传输速率可以达到300 byte/s而且比较稳定。

3：由于抗干扰能力差的串口通讯只使用在主机、从机整个通讯路径的两端（即主机与辅助通信单元Ⅰ，从机与辅助通信单元Ⅱ），而且通讯距离很短，长距离的通讯使用脉冲调制的方式并增加了处理干扰和丢失的措施，因此抗干扰能力大大增强。

4：所述辅助通信单元Ⅰ通过检测各自在所述主机的主板上的I/O端口管脚高低电平的排列来确定地址并进行传输数据，地址是随端口而变化，而不随从机的设置而变化，因此从机的软硬件可以做到兼容，方便了生产。

附图说明

图1是现有技术中常见的主从式多机通信装置的示意图；

图2是本发明的多机通信装置的示意图；

图3是本发明中脉冲调制通讯的载波方式示意图；

图4是本发明中脉冲信号发送示意图；

图5是主从机之间数据包的传输格式示意图；

图6是主从机之间通信的流程图。

具体实施方式

在实际应用中主机和从机都有可能采用单片机来构成多机系统，而串行接口(RS-232)在单片机上使用非常普遍，因此在主机和从机两端采用串行接口来通信，但是在本发明的主机和从机之间增加辅助通信处理单元，辅助通信处理单元可有小单片机（如AT2313）组成，如图2所示系统总共有4大部分：主机、辅助通信单元Ⅰ、辅助通信单元Ⅱ、从机，，图2中的辅助通信单元Ⅰ分别按不同的从机称为“从机1-辅助从机1、从机2-辅助从机1、、、、从机N-辅助从机1”，下文中可统称为辅助从机1；辅助通信单元Ⅱ分别按不同的从机称为“从机1-辅助从机2、从机2-辅助从机2、、、、从机N-辅助从机2”，下文中可统称为辅助从机2。

下面以8路从机为例详述通讯过程如下：

1、概述：

主控单元采用高档单片机（如：Atmega128）作为主处理单元，8片低档单片机（如：ATtiny2313）作为辅助通讯处理单元1。通信方式上采用多机通信方式，Atmega128为主机，ATtiny2313 为辅助从机，ATtiny2313 在系统中承担主机和从机之间通讯数据转接的功能。按照多机通信原理，主机在访问辅助从机之前，事先传送一个字节的地址给全部辅助从机1、选中所要通讯的辅助从机1，随后将数据帧发送给指定辅助从机1。辅助从机1接收到数据帧后进行通讯应答。每一路从机使用两个从机辅助从机，辅助从机1和主机同属于主控单元，辅助从机2和从机同属于从机单元，所有辅助单元1和主机是在同一个硬件电路板上的，一个从机辅助单元2和一个从机是在同一个硬件电路板上的；

2、8片辅助从机1的地址识别：

8路辅助从机1共需要3个位确定（2^3=8），因此辅助从机1的地址判断根据主机板卡上ATtiny2313的3个I/O口(PB0-PB2)管脚高低电平的排列确定地址，具体如下表:

主机系统上电后各个辅助从机1便会检测各自的I/O口(PB0-PB2),以确定本端口的地址，所以对外而言，地址是跟随着端口变化的，而不是跟随着真正的从机变化的，这就为从机带来很好的兼容性，所有从机系统（包含从机和辅助从机2）的软硬件是一致的，另一方面虽然辅助从机1决定地址的I/O口设置不同，但是因为所有的辅助从机1和主机所处在同一块主机板上，所以整体而言主机系统也是软硬件一致的。

3、主机和辅助从机1之间的通讯方式：

主机和从机辅助从机1之间使用标准串口通信，波特率19200(可根据实际需要进行调整)，异步，无奇偶校验，8位数据位，使用第9位地址位，一个停止位。第9位地址位是主机发送地址信息到从机时使用的。其中第 9 位数据位为 1 时表示地址，为 0 时表示数据。8片 ATtiny2313 依据硬件地址编程为 1~8号，当地址位为1时，表示此时数据包中是地址号，每个从机把地址号与自己的地址号校验，相同则继续接收，否则放弃。从机辅助单元1向主机发送数据不使用第9位地址位。

4、辅助从机1和辅助从机2之间的通讯方式：

4.1载波方式

辅助从机2也由8片低档单片机（如：ATtiny2313）组成，辅助从机1和辅助从机2之间采用脉冲调制的类似载波方式来传递主控单元与从机之间的数据包。一个起始位，一个停止位。发送方在固定时间间隔内用辅助从机的 I/O口模拟电平变换，依据传递信号为 0 或1，其电平变换的次数不同。接收方通过在固定时间间隔内采样到的电平变换的个数作为区分 0、1 电平信号的依据。

4.2载波参数

发送和接收数据对中断的影响：当单片机发送数据时，需要先关闭中断，再发送数据，完成之后再打开中断，则发送时间过长会阻塞其他程序；接收数据时靠单片机的外部中断计数，不需要关闭中断，对程序不会造成阻塞，因此发送的电平变换频率既要小于系统时钟又要兼顾发送时间。基于硬件设计，若辅助从机1采用4.9152MHz时钟时，电平变换的频率设计62.5k,周期为 16uS如图3所示。

4.3：0与1信号载波方式的表示

0与1信号的确定由固定时间间隔内采样到的电平变换的次数来决定。发送方在固定的时间间隔内依据要发送的信号为 0 或 1，用辅助从机1的 I/O端口模拟相应次数的电平变换进行输出。接收方依据接收到的电平变换的次数来决定接收的信号为 0 还是1。如图 4 所示，在程序设计中，发送方以16us为周期产生脉冲，代表信号1时产生16个脉冲，代表信号0时产生8个脉冲，代表开始信号产生64个脉冲，代表停止信号产生32个脉冲，在发送完成后均需要空闲100uS后再发送新的信号。

接收方依据接收到的脉冲个数来判断接收的信号为0还是1，接收时辅助从机1和辅助从机2均采用 INT0(外部中断源0)的下降沿触发中断方式并辅以一个 TIMER(定时计数器)来完成。辅助从机的INT0 采样到下降沿后，将脉冲计数设为 1，同时开启 TIMER 为 50uS 中断；在后续的 INT0 采样到的下降沿中断ISR(中断服务程序)中均将 TIMER 的中断定时重新设为 50uS。在 INT0 不再采样到下降沿后 50uS，TIMER 进入中断 ISR，程序对 INT0 采样到的下降沿个数进行处理。具体实现如下：起始位：一组64（57~70）个脉冲组成；数据0：一组8（6~10）个脉冲组成；数据1：一组16（14~18）个脉冲组成；停止位：一组32（28~36）个脉冲组成。每个数字后括号中的范围值，是软件为了处理干扰和丢失，设置当收到脉冲数值在这范围内都算是成功接收。这种传输处理方式大大提高了系统的抗干扰能力。

5、辅助从机2和从机之间的通讯方式：

使用标准串口通信，波特率19200(可根据需要调整)，异步，无奇偶校验，8位数据位，一个停止位。

6、数据包的传输格式：

参见图5，数据包的大小为最大30字节，此时可满足大部分情况下传输信息的需求。数据在主机板上向分机传送时首先要在数据头部加上地址，以指示此数据的传送方向，为了使辅助从机能识别到一帧完整的数据，还必须在数据的尾部加上帧尾；当辅助从机1接收到一帧完整的数据后，地址和帧尾将被去掉，还原为原始数据，辅助从机1和辅助从机2因为采用的是脉冲调制的方式，所以在一帧数据的开始和停止处分别增加了64个和32个的特殊的脉冲群以识别一帧数据的开始和结束；辅助从机2接收到的数据也是原始数据，在向从机传送时要在数据头部加上帧头，在数据尾部加上帧尾以使从机能正确识别一帧数据；在数据从从机向主机传送时的原理与以上分析一致，不再详述。

7、通讯流程：

通讯流程如图6所示，其中需要说明的是：

7.1：主机给辅助从机1发送查询数据帧或有用信息帧时，辅助从机1均需要进行应答。辅助从机1在接收到主机的任何的通讯数据帧后，可以将接收到来自从机的有用信息传递给主机，如果事先没有收到从机的信息，则需要应答一条确认信息帧。

7.2：主机与8个辅助从机1约定一个广播地址，如果主机以广播地址发送通讯数据帧，则 8个辅助从机1均接收数据。但此时辅助从机1不需要应答数据帧。

7.3：考虑到主机和辅助从机及从机之间的通讯数据帧长度最长为30字节，则按19200bps速度传输需时约15ms。

7.4：辅助从机1超时时间(180ms)：由辅助从机2到辅助从机1的传输时间(106ms)、辅助从机2与从机之间串口传输时间(15ms)、单片机的处理时间决定。

Claims

1.一种采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置，包括一台主机和与该主机通信的若干从机，其特征在于：每个从机与所述主机之间均设置有辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ，所述辅助通信单元Ⅰ与主机之间通过串行接口通信，所述辅助通信单元Ⅱ与相应的从机之间通过串行接口通信，所述辅助通信单元Ⅰ与所述辅助通信单元Ⅱ之间通过脉冲调制的载波方式传递数据。

2.根据权利要求1所述的采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置，其特征在于：所述辅助通信单元Ⅰ与主机位于同一硬件电路板上，所述辅助通信单元Ⅱ与相应的从机位于另一硬件电路板上。

3.根据权利要求1所述的采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置，其特征在于：所述辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ均为单片机。

4.根据权利要求1或2或3所述的采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置，其特征在于：所述辅助通信单元Ⅰ通过检测各自在所述主机的主板上的I/O端口管脚高低电平的排列来确定地址。

5.根据权利要求1或2或3所述的采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置，其特征在于：所述辅助通信单元Ⅰ和辅助通信单元Ⅱ之间传递数据的脉冲信号包括开始位、原始数据和结束位，原始数据中的信号1和信号0由辅助通信单元Ⅰ或辅助通信单元Ⅱ接收到的对方的I/O 端口模拟输出的电平变换次数来界定。

6.根据权利要求5所述的采用脉冲调制结合串口方式实现的多机通信装置，其特征在于：所述开始位、信号1、信号0以及结束位所包括的脉冲数量是由范围值组成，如对方接收到的脉冲数量在该范围值内则确认接收成功。