中國煤科天地自動化（常州）股份有限公司 張 蓉

1.緒論

目前單片機滲透到生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。在大部分單片機應(yīng)用領(lǐng)域都是多個單片機構(gòu)成一個多機通信系統(tǒng)，他們之間相互通信接收、發(fā)送和處理信息，發(fā)揮整體的作用。

Modbus協(xié)議是MODICON公司推出的一個開放式現(xiàn)場總線的通信協(xié)議，由于得到眾多儀表廠家的支持，正在成為儀表及智能終端的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前，多數(shù)智能儀表已利用該協(xié)議向戶提供通信接口，隨著儀表和通信技術(shù)的發(fā)展，Modbus協(xié)議由Standard Modbus（標(biāo)準(zhǔn)型）發(fā)展到Modbus Plus（增強型）。Modbus的通信方式為主從方式。主方首先向從方發(fā)送通信請求指令，從方根據(jù)請求指令中的功能碼向主方發(fā)回數(shù)據(jù)。每個從方都有自己獨立的地址。主方所發(fā)的請求幀和從方所發(fā)的應(yīng)答幀都是以從方地址開頭的。從方只讀發(fā)給自己的指令，對以其他從方地址開頭的報文不予理睬，并對接收到的正確的報文予以應(yīng)答，這種一問一答的通信模式，大大提高了通信的正確率。但是在多機系統(tǒng)中，要求既有主機與從機通信，也要有從機與主機通信，這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)是無法滿足要求的。

單片機多機通信的目的是實現(xiàn)分布式處理系統(tǒng)，其通信方式有很多種，應(yīng)用前景廣闊，具有很大的研究意義！

2.本設(shè)計的主要內(nèi)容

設(shè)計制作一個一主二從的多機通信系統(tǒng)，用Modbus協(xié)議實現(xiàn)他們的通信，設(shè)計內(nèi)容是：(1)選擇系統(tǒng)元件；(2)設(shè)計一主二從三個分立系統(tǒng)；(3)完成一主二從的硬件制作；(4)根據(jù)Modbus協(xié)議編寫多機通信程序；(5)系統(tǒng)整體調(diào)試；(6)撰寫設(shè)計說明書。

擬解決的關(guān)鍵問題：采用Modbus協(xié)議的RTU格式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

本課題的任務(wù)是在研究傳統(tǒng)的多機通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于51系列單片機AT89S52采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)的主從式多機通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)分為一個主機和兩個從機。主機通過串口向從機單片機發(fā)送制定格式的數(shù)據(jù)，從機單片機接收數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)，從機通過液晶來顯示通信的狀態(tài)。主機先發(fā)送的識別地址，等對應(yīng)的從機識別后，主機將數(shù)據(jù)發(fā)給對應(yīng)從機，從機進(jìn)行CRC校驗，然后將校驗碼發(fā)回從機和主機的校驗碼對比，相同則確認(rèn)接收正確，否則就是接收到的是誤碼。接收完之后，將接收到的數(shù)據(jù)給單片機顯示在1602液晶顯示屏上。

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計比較簡潔，重點在于軟件設(shè)計：根據(jù)Modbus協(xié)議對主從機的編程，其中對接收數(shù)據(jù)的校驗很是重要，CRC的算法要通過編程來實現(xiàn)，并將發(fā)送方和接收方的校驗碼比較，確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.系統(tǒng)的設(shè)計方案

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)的模塊：(1)主機模塊；(2)1號從機模塊；(3)2號從機模塊；(4)1602液晶顯示模塊。

系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)一主二從之間的串行通信功能，由三個大模塊組成：包括了一個主機和兩個從機，其中兩個從機中加入了1602液晶顯示模塊用來顯示接收到的數(shù)據(jù)。

整個系統(tǒng)功能是將主機和兩個從機通過單片機的串行接口連接起來，由主機向兩個從機發(fā)送數(shù)據(jù)，先發(fā)送接收從機的地址到從機，從機判斷是否發(fā)給自己，地址對應(yīng)則接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后由單片機送入1602液晶顯示出來。

4.硬件的總體設(shè)計

課題中設(shè)計的多機通信系統(tǒng)有一個主機、兩個從機和顯示模塊，硬件上則要有三個單片機系統(tǒng)和顯示部分。而單片機具有集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價廉輕便等眾多優(yōu)點，而且技術(shù)也很成熟，同樣具有全雙工串行通信能力，可以實現(xiàn)多片單片機串行通信的功能。本系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、處理器、顯示器等電路組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 主機系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

圖3 從機系統(tǒng)的程序流程圖

圖4 1602液晶顯示部分程序設(shè)計的流程圖

5.軟件的總體設(shè)計

課題要求設(shè)計一個由一個主機和兩個從機組成的通信系統(tǒng)，采用ModBus通訊協(xié)議對本通信系統(tǒng)進(jìn)行編程，實現(xiàn)一主二從的通信系統(tǒng)正常通信功能。整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計根據(jù)ModBus通訊協(xié)議的協(xié)議規(guī)約，分別對主機和兩個從機編程，然后在從機程序中加入LCD顯示程序，對從機接收的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行顯示。

本多機通信系統(tǒng)的主機系統(tǒng)部分程序流程圖如圖2所示。

本多機通信系統(tǒng)的從機系統(tǒng)部分包括該從機與主機通信部分和1602LCD液晶顯示部分。從機系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示；1602LCD液晶顯示部分流程圖如圖4所示。

6.總結(jié)

工作表明：Modbus協(xié)議是一個工業(yè)上很熱門的通信協(xié)議，本多機通信系統(tǒng)采用Modbus協(xié)議實現(xiàn)一個簡單的主機與兩個從機之間的通信。Modbus協(xié)議的規(guī)約很是完善，特別是對從機接收之后進(jìn)行的CRC校驗。CRC校驗的算法比較復(fù)雜，但是正因為這樣的算法，保證了從機接收到主機的數(shù)據(jù)的正確性，保證了通信的質(zhì)量。通信的質(zhì)量是非常的重要的，這個直接影響到多機通信的意義，假如接收的數(shù)據(jù)是錯誤的，那么這個多機通信系統(tǒng)就沒有作用，系統(tǒng)就沒有實際意義。本系統(tǒng)中實現(xiàn)了主機和兩個從機的順利通信，此課題的意義也體現(xiàn)出來，多機通信系統(tǒng)在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用的特別多，雖然本課題中的多機系統(tǒng)只是實現(xiàn)了多機之間的簡單通信功能，但是它很有課題意義和研究價值。

目前本系統(tǒng)尚存在缺陷。比如本系統(tǒng)中的主機和兩個從機通信，主機只能是一個，主機不可以變成從機，而從機也不可以變成主機，主機和從機之間具有不平等性，只是單向的通信。由于各方面的因素，目前只做了這些，只實現(xiàn)了簡單的多機通信的功能。

在多機通信的平等性方面還有很大的發(fā)展空間，比如可以在多機通信之前先確定三個之中的一個單片機作為主機，其他兩個為從機，然后進(jìn)行多機通信，實現(xiàn)這個功能需要加上鍵盤模塊，采用鍵盤來設(shè)置主機和從機。實現(xiàn)這些功能則可以將多機通信中的平等性體現(xiàn)出來。

現(xiàn)在多機通信使用的普遍性很高，它是很多的完整系統(tǒng)中不可缺少的部分，有很多系統(tǒng)需要多機通信的功能來將系統(tǒng)實現(xiàn)得跟完整，實現(xiàn)多機一體化的完美系統(tǒng)。多機通信在今后的發(fā)展前景是很好的，它的重要性決定了在很多大系統(tǒng)中會看到多機通信的身影。

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