基于485通讯的双机系统的研究与开发论文.docx
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基于485通讯的双机系统的研究与开发论文
毕业设计
课题采用485总线设计的双向控制系统主机
学生姓名
系别电气工程学院
专业班级
指导教师
目录
摘要III
ABSTRACTIV
第1章前言1
1.1双向教学系统控制主机设计目的及意义1
1.2多机通信研究现状1
1.3双向教学系统控制主机设计内容2
1.3.1基本要求2
1.3.2需要研究的问题2
1.4双向教学系统控制主机的设计思想2
第2章系统设计3
2.1双向教学系统工作原理3
2.2双向教学系统的设计方案4
2.2.1主机通信方案一4
2.2.2主机通信方案二7
2.2.3主机硬件设计10
第3章系统理论分析13
3.1双向控制系统通信介绍13
3.1.1数据通信的传输方式13
3.1.2串行通信13
3.2RS-485构成的多机通信原理14
3.2.1RS-485总线标准特性14
3.2.2RS-485总线构成的多机通信15
3.3主控制器AT89C52简介15
3.4红外发射原理17
3.4.1红外通信原理17
3.4.2红外遥控18
第4章系统硬件电路设计19
4.1单片机系统电路设计19
4.1.1复位电路19
4.1.2晶振电路19
4.2红外发射模块电路设计20
4.3八位独立键盘设计20
第5章系统调试与整机测试22
5.1proteus仿真软件22
5.2系统调试22
5.2.1硬件调试22
5.2.2软件调试22
5.3整机测试22
第6章结束语27
参考文献28
致谢29
附件30
图片清单
图2-1系统主框图3
图2-2单片机与RS485总线接口电路4
图2-3主从式多机通信结构图4
图2-4单片机方式2与方式3时通讯发送数据格式5
图2-5方案—主机程序路程图7
图2-6方案二数据帧格式8
图2-7主机向从机发送一帧数据格式9
图2-8主机发送前的操作流程图10
图2-9调制过程中的波形图11
图2-10主机系统框图12
图3-1数据通信格式14
图3-2采用RS－485构成的多机通讯原理框图15
图3-3AT89C52引脚图16
图3-4遥控串行数据编码波形图18
图4-1复位电路19
图4-2晶振电路20
图4-3简单驱动电路20
图4-4键盘连接示意图20
图5-1电路仿真图23
图5-2虚拟串口软件24
图5-3串口调试软件24
图5-4hex程序下载图25
图5-5遥控输出波形25
图5-6串口调试助手有页码显示26
表格清单
表4-1按键功能介绍21
采用485总线设计的双向控制系统主机
摘要
论文结合我国多媒体教学发展的现状，详细分析了双向教学系统的设计背景与意义，提出了一套基于单片机芯片的可行的双向教学系统的设计方案，并重点介绍了该系统的控制主机的设计与实现方法。
双向教学控制系统主机采用485通信方式，应用主从式多机通信系统的原理，所谓主从式结构，即在多个单片机中，一个主机负责通信管理，多个从机服从主机的调度与支配，即可实现与终端机进行双向通信。
通信方式为单工通信，主机作为发送方终端作为接收方完成了控制主机的设计。
操作请求信号由终端设备经485总线传送给主机设备，系统主机接收到操作请求信号信号后，经过处理后得到录像机、DVD等设备的控制指令信号。
该控制指令信号与38KHz经调制处理后，由红外发射二极管发送出去，从而实现远程控制设备的动作。
本设计是基于单片机技术，采用AT89C52为控制核心，并用C语言程序来控制AT89C52，使之能实现主机与终端之间的通信。
实践证明，主机系统可实现双向通信、远程控制。
系统性能可靠、稳定、可连续稳定工作。
关键词：
主机；485通信；AT89C52；红外线控制
TheDesignandImplementationoftheHostDesignandImplementationoftheBidirectionalTeachingSystem
ABSTRACT
AccordingtothepresentdevelopmentsituationinChinaofmultimediaapplicationsinteaching,thethesisanalyzedthebackgroundandsignificanceofbidirectionalteachingsystemdesign,andputsforwardafeasibledesignofcontrollablehostofbidirectionalteachingsystembasedonSCMchip.
Hostcontroloftwo-wayteachingsystem485communication,applicationoftheprincipleofthemaster-slavemulti-machinecommunicationsystem,theso-calledmaster-slavestructure,inmorethanonemicrocontroller,ahostisresponsibleforcommunicationmanagement,multipleslavestoobeyahostofschedulinganddisposable,youcanachievetwo-waycommunicationwiththeterminal.Communicationissimplexcommunicationtothehostasaterminalofthesenderastherecipienttocompletethedesignofthecontrolhost.Operationrequestsignalbytheterminaldevice485bustransfertothehostdevice,thesystemhostreceivestheoperationrequestsignalsignal,VCR,DVDandotherdevicecontrolcommandsignalaftertreatment.Aftermodulationprocessingbythecontrolcommandsignalwith38KHzinfraredemittingdiodessendoutinordertoachievetheactionoftheremotecontroldevice.
Thedesignismicrocontroller-basedtechnology,usingAT89C52tocontrolthecoreandtheClanguageprogramtocontroltheonAT89C52sothatitcanrealizethecommunicationbetweenthehostandterminal.Practicehasprovedthatthehostsystemcanachievetwo-waycommunication,remotecontrol.Thesystemisreliable,stable,continuousandstablework.
KEYWORD：
Host；RS485；AT89C52；Infraredcontrol
第1章前言
1.1双向教学系统控制主机设计目的及意义
21世纪是信息时代，数字双向教学的应用将迅速普及到教育行业中。
可以说，对于信息的获取、公布和沟通直接影响到教学质量的兴衰成败。
同时，在数字化时代，各种新技术、新概念、新的教学方式都将极大地影响到学校的发展。
面对国际信息化的潮流，中国的教育业只有尽快实现与国际接轨，才能进一步提高教学质量，培养更多的优秀人才，走科教兴国之路。
在我国，数字双向交互系统作为信息产业高速发展的产物，正逐渐成为一项广泛的行业应用。
数字双向交互教学系统能帮助学校提高现代化、科技化水平，充分显示学校形象与档次，增加学校特色教学项目种类，有助于学校在教学中独树一帜，获得师生和家长的青睐，并可以为学校特色教学带来直接显著的教与学的质量提高。
闭路电视教学系统由计算机、主控制器、卫星、电视信号接收，信号传输、节目播放等部分组成。
由于南方湿度大、气温高，录像教材和播放设备不易放在教室里。
应由电教中心统一保存管理和控制使用。
为了能够控制中心播控室的录像机，要求闭路电视教学系统具有双向控制功能，以便充分发挥插播教学的作用。
普通的闭路电视教学系统，接收者只能看，无法控制节目的进程，因此对其进行改造，使接收者不仅能看，还能控制节目的进程。
它非常适用于中小学的教学系统。
1.2多机通信研究现状
随着单片机技术和计算机网络技术的不断发展，特别是在监测和控制网络技术领域的广泛应用，由单片机所组成的多机联网监测和控制系统，已成为单片机技术发展的一个非常重要的趋势。
它将计算机的强大的图形处理，数据分析能力与单片机的实时数据采集能力相互结合起来，将单片机的应用从仅仅为传统的自动监视或控制转化为可以形成了一个网络，进行分布式多核系统的发展。
单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。
体积小、、应用方便、价格便宜，对干扰的抵抗能力较强，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。
人们就是利用它的这些优点将其广泛应用与分布式的数据传输和工业控制系统中去，比如工业现场，用于分布的去采集数据，界面友好的人机系统，将其放在监控站进行灵活的监控。
这几年变频技术又在飞速的发展，在变频控制系统中数据在通信过程中的稳定性和通信方便性是系统功能实现的保障和基础，所以，在实际应用中恰当的借口形式和通信协议尤为重要，单片机由于其自身的特点，在变频技术中又受到极大的亲睐。
在工业界中RS485接口组成的半双工网是使用最为广泛点对点网络标准接口。
RS485支持半双工方式通信，可以多点连接，最多允许创建多达32个节点的网络而某些驱动器模块可增加至128个。
它最大传输距离为1200m，在1200m时最高可支持为100Kbit/s的传输速度。
如果想组建可靠性能高德，成本较为低廉，用于多站互连的总线网络是，RS485较为合适。
1.3双向教学系统控制主机设计内容
1.3.1基本要求
设计一个系统主机，它通过485总线向远程终端发送控制指令，接收远程终端指令，控制本地录像机和DVD的动作，如播放、快进、暂停等。
1.3.2需要研究的问题
（1）系统主机与远程终端之间的双向通信；
（2）系统主机能够识别远程终端的控制指令，并根据指令执行相应的动作；
（3）系统主机可以控制本地设备的动作。
1.4双向教学系统控制主机的设计思想
普通的闭路电视教学系统，接收者只能看，无法控制节目的进程，设计系统的智能控制主机，使接收者不仅能看，还能控制节目的进程。
对于普通的闭路电视教学系统而言，经济实用是其最大的特点。
因此，对于系统主机，采用价格便宜，性价比高的普通单片机作为控制核心来实现对整个系统主机的控制。
控制终端通过485总线与系统主机相连接并实现相互通信，通信方式为半双工通信。
系统主机通过485总线接收远程终端指令，分析和处理后，再将录像机和DVD所需的动作指令通过红外线发送设备发送出去。
从而远程控制本地录像机和DVD的动作，如播放、快进、暂停等。
第2章系统设计
2.1双向教学系统工作原理
双向教学系统主要分为系统主机和控制终端两个部分。
系统主机与控制终端之间采用RS485总线进行双向通信。
控制终端通过键盘或遥控器输入控制命令，经过RS485总线将控制命令传送给系统主机。
系统主机接收到指令，执行相应的操作，如控制录像机、DVD等设备的动作。
系统的主框图如图2-1所示。
图2-1系统主框图
模块描述：
（1）主机部分
系统主机是整个系统的核心，主要是用来实现对中心机房设备的控制，如录像机、DVD等设备的操作，主机与远程控制终端通过RS485总线相连。
系统主机接收到远程控制终端的请求信号后，经过识别、处理，确认控制中心机房设备动作类型后，CPU调出该控制指令的信号，与38KHz载波调制处理后，由红外发射二极管发送出去，从而实现在远程控制终端控制中心机房设备的操作。
（2）控制终端
控制终端是相关终端设备的集合，利用键盘或遥控器输入相应的控制命令，控制终端将这些命令通过RS485总线送给系统主机，然后等待系统主机的返回信号。
（3）RS-485串行通信部分
在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：
主从机可双向通信。
并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。
RS-485总线是一种串行通信总线，实现了多点互联，最多可达256台驱动器和256台接收器，非常便于多器件的连接。
不仅可以实现半双工通信，而且可以实现全双工通信。
故本设计采用RS-485通信[4]。
RS-485串行总线接口标准采用了平衡驱动和差分接收的方法传输信号，抗共模干扰的能力很强。
允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。
利用单片机本身提供的简单串行接口，加上总线驱动器，如MAX485等，可组合成简单的RS-485通信网络。
图2-2为单片机与RS-485总线接口电路。
图2-2单片机与RS-485总线接口电路
2.2双向教学系统的设计方案
双向教学系统是指由两台以上单片机组成的网络结构，可以通过串行通信方式共同实现对某一过程的最终控制。
多机通信的网络拓扑形式较多，可分为星型、环形和主从式多机型等多种，其中以主从式多机型应用较多。
主从式多机通信系统中，一般有一台主机和多台控制终端。
控制终端发送的信息可以传送到各个控制终端或指定控制终端，控制终端发送的信息只能被主机所接收，各控制终端之间不能直接通信，其结构形式如图2-3所示。
图2-3主从式多机通信结构图
2.2.1主机通信方案一
本教学系统设计方案采用主从式网络拓扑形式，实现多个单片机之间的通信。
双机开始数据传输时，主机先发送地址帧等待从机应答信号，并开始接收完数据后，将根据最后的校验结果判断数据接收是否正确，若校验正确，则向主机发送数据正确信号。
由图3可知，主机的RXD、TXD与所有从机的TXD、RXD端向连接，主机发送的信号可被个从机接收，而各从机发送的信息则只能由主机接收。
在方案一中，首先解决的是如何识别从机问题，其次才是如何发送数据等。
识别从机一般是通过地址来实现的，即给从机分别设定地址信息。
MCS-51系列单片机串行通信中的SM2位（多机通信控制位）专门用来识别不同的从机，方案一则主要利用这种方法。
MCS-51系列单片机串行口方式2、3很适合主从式的通信结构。
当串口以方式2或方式3工作时。
发送和接收的每一帧数据都是11位（如图4所示）：
1位起始位（0），8位数据位（低位在前），一位可设置的第9位数据位和一位停止位。
其中，第9位数据位可用于识别发送前8位数据时地址帧还是数据帧，为1则为地址帧，为0则为数据帧，此位可通过对SCON寄存器的TB8位复制来置位。
当TB8为1是，单片机发出的一帧数据中的第9位为1，否则为0。
图2-4单片机方式2和方式3时通信发送数据格式
作为教学系统终端接收主机的数据，串行口同样工作在方式2或方式3状态，它的SM2和RB8（接收到的第9位）的组合有如下的特性。
•若从机的控制位SM2设为1，则当接收数据的第9位是1时，即地址帧时，数据装入SBUF，并置RI为1，向CPU发出中断申请；当接收到第9位是0时，即数据帧是，不会产生中断，信息会被丢弃。
•若SM2设为0，则无论是地址帧还是数据帧都将产生RI=1中断标志，8位数据均装入SBUF。
利用这个特征，单片机在进行主从式多机通信时，系统初始化后，所有从机的SM2均置为1，并处于允许串口中断接收状态，各从机均接收该地址帧，从机接收到该地址帧后，申请中断，转向中断服务程序，各终端从机均接收该地址帧，终端接收到该地址帧后，申请中断，转向终端服务程序，各终端在中断服务程序里判断本机地址是否与主机发送地址相同，若相同，该终端将SM2置为0，并向主机发送回应应答信号。
此时，只有主机和被呼叫的从机终端之间能交换数据。
因为若该终端的地址与主机发送的地址不同，则该终端继续维持SM2为1，在主机后来发来的数据和命令时，其第9为数据位（RB8）为0，由于SM2为1，终端不会发生中断。
（1）硬件设计
硬件设计方案一实现的是一个主机多个从机（终端）之间的数据传输，因此，硬件电路也分为主机电路和终端电路。
主机和终端的原理图基本一致，终端需要增加本机地址设置电路，否则每个终端需要不同的程序，给实际应用带来不便。
在采用不同的通信标准时，还需要进行相应的电平转换，也可以对传输的信号进行电隔离，通常采用RS-232或RS-485串行标准总线进行数据传输。
（2）程序设计
方案一中，各终端的数目决定于实际应用中，比如说需要多少间教室，就需要多少个终端，依据实际情况而定，发送的数据有数据帧和地址帧，实现起来较为复杂。
利用单片机串行控制寄存器SCON中SM2位实现。
方案一的通信协议如下：
通信双方使用波特率为9600bit/s，串行口采用工作方式3，接收和发送均采用查询查询方式，使用主从式通信。
•主机与终端开始通信时，主机先发送地址帧等待终端应答。
•各终端初始化时都处于只接收地址帧的状态。
接收到地址帧后，将接收到的地址与本地地址相比较，如果相符，则向主机发送应答信号，并开始接收数据；接收到的地址与自身地址相比较，如果相符，则向主机发送应答信号，并开始接收数据；如果收到地址与自身地址不相符，则处于继续等待地址帧状态。
•终端在接收完数据后，将根据最后的校验结果判断接收是否正确，若校验正确，则向主机发送数据正确信号。
方案一主机流程图如图2-5所示：
图2-5方案一主机程序流程图
方案一的实现比较简单，主机与终端串口都工作在方式2或方式3下，各终端之间尽管在同一个网络上，但由于系统构成的是主从式结构，因此他们之间的数据交换式不能直接进行的，都要通过主机的交换来实现，实际上，从电路的连接上来看，各终端之间的构成TXD-TXD和RXD-RXD的关系，也决定了相互之间不能直接通信，但是在实际使用时现场情况更为复杂。
若选择此方案很难达到对双向教学系统控制主机功能的充分展示，因此在再三对比后，我决定选择以下方案对我的系统进行设计。
2.2.2主机通信方案二
方案二在实际应用中常常采用数据帧中包含地址信息来区分不同终端的方法，这种方法大大降低了主从之间通信的复杂度，并且程序编写更容易理解。
（1）设计思想
方案二采用数据帧中包含地址信息的方法实现通信功能。
主机发送数的数据中包含地址帧信息，主机发送后，所有的终端都能接收到，每个终端从机将自身地址与接收的数据帧中包含的地址相比较，如果与自身地址相同，则进行对应的处理。
否则将这帧数据丢弃，串行口继续等待接收数据。
当然也可以根据实际功能需要，部分终端从机也可以根据数据帧的地址信息来决定是否接收数据帧，实现主机箱终端“广播”的功能。
（2）程序设计
由于此种方案通信方式采用在数据帧中包含地址字节信息来区分各终端，因此只与软件有关，硬件接口与方案一完全一样。
主机、终端一次发送数据为多个数据组成的一个数据帧，数据帧中包含其实、结束标志、地址、应答信息等，主机或终端接收完一数据帧后，根据数据帧中的标志和地址决定是否保存。
接收保存后的数据，有数据帧的功能字节来说明数据字节的意义或者下一步的操作等。
根据以上原理，定义数据帧的格式如图2-6所示。
图2-6方案二数据帧格式
方案一中，主机、终端的低位区分明显，主机终端任务不同，而本方案介绍的这种方法，主机终端的界限不是很明显，只要数据帧中标志和地址字节变化，就可以实现终端与主机通信，这与任务书中“主机通过485总线（接口芯片为75LBC184）接收下位机控制信号”任务相照应。
根据本方案介绍的通信原理，对图中数据帧的个字节定义如下。
•数据帧以8位字节为基本数据单位，采用十六进制。
•起始字节：
0XAA。
•主从标志：
为0X0F表明这是主机发送的数据帧；为0XF0说明这是从机发送的数据帧。
实际上也可以以地址来区分是从机还是主机发送地址帧。
•功能：
数据字节的功能作用，若无数据字节，功能字节就为0X00，采用压缩BCD数据格式。
•校验和：
包括起始字节和结束字节在内的本数据帧的校验和，不包括校验字节本身。
•采用的校验检验算法：
将不包括校验字节和在内的一帧数据想家，丢弃仅为，将计算得到的值作为校验字节。
帧长度：
数据字节的长度。
•地址：
如果是主机发送的从机，此字节是要接收数据的终端地址。
如果是从机既终端发送到主机，此字节是发送数据的终端地址，一般采用十六进制。
•结束字节：
0XDD。
例如主机向地址为0X10的终端发送数据0X12,0X34，功能字节为0X55，则发送的一帧数据如图2-7所示
以下是采用此种数据格式的主机单片机程序，发送、接收均采用中断方式。
设单片机的晶振频率为11.0592MHZ，通信的波特率为9600BIT/S，主机、终端的串行口均采用方式1。
在程序发送部分，首先按照通信协议准备数据帧头，然后加入要发送的数据，计算校验和，最后发送整个数据帧，流程图如图2-8所示。
图2-7主机向从机发送一帧数据格式
以下是采用此种方案主机发送前操作流程图：
图2-8主机发送前的操作流程图
2.2.3主机硬件设计
系统控制主机包括处理器部分和辅助部分。
采用单片集成微处理器为控制核心，处理器选择AT89C52单片机。
辅助部分主要包括总线接口和红外发射部分。
控制信号由终端设备经485总线传送给主机设备，系统主机接收到控制信号后，经过处理后得到录像机、DVD等设备的控制指令信号，由无线发送设备发送出去。
本设计采用红外方式来控制这些设备。
系统主机接收到控制信号后，经过处理，确认动作类型后，通过红外发射二极管发射相应的红外码，从而实现控制设备的动作。
根据红外发射管本身的物理特性，必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”，然后将相“与”后的信号送发射管，才能进行红外信号的发射传送，而在频率为38KHz的载波信号下，发射管的性能最好，发射距离最远，所以在硬件设计上，本设计采用AT89C52产生38KHz的载波信号，与发射信号进行逻辑“与”运算后，通过三极管的功率驱动到红外发光二极管上。
红外发送电路由4001MOS或非门38KHz振荡器，单片机发送控制电路和红外发送管驱动输出电路组成，当单片机P3.4口输出控制信号时，经74LS08与门与38KHz调制后由红外发送管发出38KHz调制红外线。
[6]
具体的发射波形如图2-9下
图2-9调制过程中的波形
故主机系统中需要用单片机分别产生相应的载波信号和调制信号，如图2-10所示。
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