多单片机共用RS 232通信的防竞争电路与程序设计

摘要：当多个单片机系统的安装位置较近时，上位机与下位机之间的1对多的多机通信，可以直接采用RS 232进行串口通信。虽然RS 232被定义为点对点的通信接口，但是可以设计专门的控制电路和通信时序来有效地防止竞争，可靠实现多机通信。
关键词：单片机；多机通信；RS 232；控制电路；通信程序

    在单片机开发应用中，我们常常采用主从式控制结构，一台PC机作为上位机控制多个单片机系统进行工作，功能强大、资源丰富的PC机可以用来方便地进行人机界面的设计和数据库管理与输出，而单片机进行灵活的控制和测量。在某些应用场合，这些单片机系统紧靠在一起安装，因为单片机相互间的距离较近，通信接线很短，这时，PC机与单片机1对多的多机通信，就可以不采用需要特别转接设备的RS 485通信，或者复杂的CAN通信，而设计防止竞争控制电路和采用应答式通信程序，让多单片机直接共用一个RS 232接口与PC机实现可靠的异步串行通信。

1 多单片机通信结构
    多单片机共用RS 232接口与PC机通信的结构如图1所示，由串行通信接口、防竞争电路以及下位机三部分组成。

    多个单片机系统共享RS 232总线的关键是如何避免竞争。对于接收端，经RS 232电平转换芯片进行电平转换后，可以直接并接到全部单片机串口的Rxd端，PC机向单片机发送信息相当于向所有单片机进行广播，不存在竞争。但是不能直接将单片机的发送端并联到串口转换芯片MAX232的TnIN端，否则系统将极不可靠，无论何种原因，倘若有2个及以上的单片机系统同时向PC机发送信息，则将发生总线竞争，RS 232总线信号将发生混乱。因此图中的防竞争控制电路，是专为防止总线竞争而设计，以保证在任何时刻只有一个单片机系统占用RS 232的发送端口。

2 防止竞争的控制电路
    防止竞争控制电路如图2所示，TxdA，TxdB，TxdC分别是单片机A、单片机B、单片机C的Txd端，接到带3态驱动器74HC125的3个输入端上，74HC125的3个输出端并接到RS 232电平转换芯片MAX232的T2IN端。A，B，C分别是3个单片机的串口输出控制端(低电平有效，假设均接P10端口)，由74HC00四二与非门和74HC32四二或门电路构成。

    控制电路输出到74HC125的3个控制端信号分别定义为OEA，OEB，OEC，对应于3个单片机串口控制信号A，B，C，逻辑关系为：
   
    控制电路的真值表如表1所示。

    由真值表可见：防止竞争控制电路保证在A有效时，仅允许TxdA通过74HC125而其他2路信号被禁止通过。同样，当B有效时，仅允许TxdB信号通过，C有效时，仅允许TxdC信号通过，其他2路信号被禁止。确保任意时刻只有一个单片机的串口占用RS 232发送通道，而其他单片机不能占用RS 232发送通道，有效地防止了竞争的发生。

3 防止竞争的通信程序
3．1 多机通信协议．
    多机通信协议是为了使单片机分时占用RS 232发送通道，在防竞争控制电路的配合下，使得任一时刻PC机仅与1个单片机进行通信，保证通信的顺利进行。通信采用握手通信方式，通信协议如下：

    每一帧信息为8个字节。其中，第一字节为特征字(这里为字符“L”)，第二字节为地址码，第三字节为命令码，第四～七字节为数据字节，第八字节为校验和(从地址码开始计算字节的异或和)。
    如PC机向单片机系统发出呼叫：“L”、“A”、01H、00H、00H、00H、00H、40H，其中的“A”(41H)表示呼叫单片机A，01H是命令，4个00H是命令的参数，40H为校验和。
    单片机接收到特征码“L”后，开始接收后续的7字节信息，并对这7个字节计算校验和，完整的一帧呼叫码校验无误后，核对地址码。单片机A核对地址码为“A”，确认是对本机呼叫，立即响应，拉低P10(信号A)，本机即可独占RS 232总线发送通道，按照通信协议与PC机进行串行通信，通信完毕恢复P10(信号A)使RS 232总线发送通道恢复空闲状态。而单片机B、单片机C校对地址码不是本机地址后则退出，保持接收状态。
3．2 上位机通信程序
    上位机与下位机采用应答式通信方式，上位机向某一下位机发送呼叫码后启动定时查询串口定时器，等待下位机执行命令并按命令要求返回信息，若定时时间到后能查询到该单片机返回的信息，则取出信息进行处理，否则认为该单片机出错。上位机通信流程如图3所示。

    图4为上位机与3个单片机通信的时序图。

3．3 下位机通信程序
    下位机接收到命令后，执行命令与返回信息的时间必须小于上位机的等待查询时间，否则将被当作出错处理。下位机通信流程如图5所示。

4 结语
    采用防止竞争控制电路和应答式编程，使得多单片机共用RS 232接口时，每个单片机分时占用RS 232总线发送通道，有效地避免了串行总线的竞争。控制电路采用普通的74HC系列芯片构成，电路简单、实现容易、通信可靠。笔者在研制“信号微机监测系统板卡故障定位仪”项目中采用了这一电路，3个下位机(51系列单片机)控制板安装在同一个机箱中，嵌入式平板电脑作为上位机与3个下位机进行串行通信，实践证明该电路可以稳定可靠的工作。文中仅讨论了3个单片机的情形，若单片机多于3个，可以对控制电路进行适当扩展，以满足需要。