单片机多机通信系统稳定性的研究

概 述

单片机在当今的仪表及工业测控设备上应用非常广泛。其功能强大、外围接口电路简单，在构成分布式系统时，其优越性更显突出。在分布式系统中，分机常采用多机通信方式，由于RS-485（以下简称485）通信接口的传输距离远，连线少，所以被认为是一种很好的通信模式。然而，在实际应用过程中，若使用不当，485接口会出现很多问题：首先是器件经常损坏，有时对电源进行几次连续的开关机操作之后，通信电路就会失控；再有，在通信过程中，数据传输经常出现误码，而且误码率很高。在系统调试过程中，有两次记录可以证明这一点，记录如表1所列。

表1 调试记录

一、 硬件分析

首先分析通信电路失控的原因。系统在上电复位阶段，所有485芯片都处于输出状态，而且只有其中某一台分机发出数据。以这台分机输出口的状态为例进行分析，如图1所示。A、B为485接口的两只引脚，图1(图1a)中的A1~An为高电平，B1~Bn为低电平；而A 为低电平，B为高电平，其中一个分支的等效电路如图1（b）所示。由于每个出口电路的电阻取值相同，都取22Ω，则C点电位接近An点电位。分机数量越大，两点电位就越接近。485芯片为差动输出方式，同时有拉电流和灌电流存在，电流I=U/R。由于电流I的存在，使485的差动输出端各有0.3V的电压降。485芯片由输出口造成的功率损耗为P=2IU0=2（U/R）×0.3=0.6U/R。
    U=5-0.3×2=4.4V
    R=22Ω
    I=U/R=4.4V/22Ω=0.2A
    P=0.6×0.2=0.12W=120mW

由于功耗P与485芯片的耗散功率接近，所以485芯片经常有损坏的现象。为了解决这个问题，只有降低485芯片的功率损耗。由功耗P的计算公式可知，由于电压一定，只有增大R值，才能减小功耗P。又因为在正常状态下，485芯片的接收端处于差动输入状态，这时，起发送作用的485芯片的输出端除了导线的分布电容，再无其它负载，而在485芯片输出相位切换时刻，可将分布电容看作是AB线短路，则I=U/（2R）。从工程应用的实践经验中得出， 20mA电流环，可使通信数据稳定。

由I=U/（2R）得
    R=U/2I=4.4/(20×2)=0.11kΩ=110Ω

在实际应用中，R选用100Ω电阻，经过这样处理之后， 485芯片再也没有出现损坏的现象。

以上分析是针对主、分机采用同一电源的对于各自独立电源供电的通信网络，485输出口的状态最后仍然等效成如图1(b)所示电路。

在主机通信口由输出转为输入状态时，分机还没有接管通信总线，这时通信线处于悬浮状态，极易拾取噪声。分机与主机采用同组电源时，其噪声幅度与信号幅度接近，如图2（a）所示；当分机采用各自独立电源时，其噪声幅度大于2倍信号幅度，如图2（b）所示。

二、 通信协议的影响

在数据传输过程中，每组数据都包含着特殊的意义，这就是通信协议。主、分机之间必须要有协议，这个协议是以通信数据的正确性为前提的，而数据传输的正确与否又完全决定于传输途径，即传输线。也就是说保证传输线状态稳定与通信协议有直接联系。

在主从式通信系统中，把数据传输过程划分成几个阶段来分析，如图（3）所示。在图3a中，t0~t1为主机向分机发送命令时间。在t1时刻，主机将差动输出状态转换成输入状态。在图3（b）中，t2之后的时间为分机向主机传送数据阶段，分机由输入状态变成输出状态。由于单片机多机通信大多采用异步串行方式，所以发送数据后的TI置位和接收机RI的置位时间有一段时间差，而且接收机在转换到输出状态前要有一段图3图4数据处理时间，这两段时间加起来不可忽视。在图3（c）中，t1~t2即为这段时间，这时串行通信总线处于悬浮状态，极易拾取空间干扰信号，这时主机与另外的分机可能会同时得到一个无规则的数据，对分机而言可能是错误指令，造成错误反应。为此，在通信协议中加入延时阶段，来解决此问题。如图4所示：在图4（a）中，t1~t3为延时阶段；在图 4（b）中t2~t4为分机的延时阶段；图4（c）中，t1~t2为分机的反应时间。延时时间T的大小可按分机接到主机命令后的最长反应时间的2倍来计算。

延时阶段的作用可用图4（c）来分析。在图4（c）中，主机控制数据总线的时间由t1延长到t3，分机的反应时刻为t2，但分机有效数据从延时后的 t4时刻开始，这样在通信总线上有主机和某台分机同时控制的一段时间即t2~t3的时间段。由于主机和分机对总线控制的方向相同，所以不会对这两台机器的硬件造成影响，而且在t1~t2阶段，总线一直处于低阻状态，不会产生噪声，所以总线的抗干扰能力也加强了，提高了通信的稳定性。

三、 通信协议框图

通信协议实现的流程图如图5所示。

结束语

多机通信系统通信稳定性还与各个分机的状态有关。无论是软件还是硬件，一旦某台分机出现问题，都可能造成整个系统混乱。故障出现时，有两种可能现象发生：其一是故障分机的485口被固定为输出状态，通信总线硬件电路被钳位，信号无法传输；其二是故障分机的485口被固定为输入状态，在主机呼叫该号分机时，通信线路仍然有悬浮状态，还会出现噪声信号。所以，在系统使用过程中，注意对整个系统的维护，以保证系统的稳定性。该方法已在锦州消防安全仪器总厂的产品JB-TGZ4L-2000型消防报警控制器中得到应用。MES

参考文献

1 李华主编.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1997