基于單片機多機通信的交通燈控制網絡設計

摘要：文章分析了MCS-51系列單片機利用串行口進行多機通信的基本原理，對利用單片機多機通信方式實現交通燈控制系統的網絡化控制進行了研究，設計了硬件電路圖及主、從機程序，并在Proteus軟件上進行了仿真運行。
關鍵詞：單片機；多機通信；交通燈系統；控制網絡

由于微機技術的飛速發展和控制系統的復雜化，多機通信的應用越來越廣泛，特別在一些對工業過程的控制中，多機通信已經成為通信控制領域的主流通信方式。
本文針對目前單片機書籍(包括教材)很少介紹多機通信的實現技術的情況，在交通燈控制系統的基礎上設計了一個交通燈控制網絡系統，以此為實例給出了單片機多機通信的解決方案。

1 單片機多機通信的基本原理
計算機之間的通信除了點對點通信外，還有一機對多機或多機之間的通信，構成計算機網絡，其中主從式多機通信是比較常用的一種方式。在主從式多機通信系統中，只有一臺主機，但可以有多臺從機。主機發送的信息可以傳送到各個從機或指定從機，從機發送的信息只能為主機所接收，各從機之間不能直接通信。主機通常由PC機擔任，也可用單片機擔當(本文研究的是用單片機作主機)，從機通常為單片機。 MCS-51單片機串行口的方式2和方式3具有多機通信功能，可實現一臺主機和若干臺從機構成總線式的多機分布式系統，其連接方式如圖1所示。

在多機通信中，可充分利用MCS-51單片機的多機通信控制位SM2。用作主機的單片機的SM2應設定為0，作從機的SM2設定為1。主機發送并為從機接收的數據有兩類：一類是地址，用于指示需要和主機通信的從機的地址，由串行數據第9位為“1”標志；另一類是數據，由串行數據第9位為“0”標志。由于所有從機的SM2=1，故每個從機總能在RI=0時收到主機發來的地址(因為串行數據第9位為“1”)，并進入各自的中斷服務程序。在中斷服務程序中，每臺從機把接收到的從機地址和它的本機地址(系統設計時分配)進行比較。所有比較不相等的從機均從各自的中斷服務程序中退出(SM2仍為1)，只有比較地址相等的從機才是被主機尋址通信的從機。被尋址從機在程序中使SM2=0，以便接收隨之而來的數據或命令(RB8=0)。上述過程進一步歸結如下：
(1)主機的SM2=0，所有從機的SM2=1，都處于監聽狀態(只能接收地址幀)，以便接收主機發來的地址。
(2)主機給從機發送一幀地址信息時，其中的8位是地址，第9位為1表示是地址幀。
(3)所有從機在SM2=1、RB8=1且RI=0時，接收到主機發來的從機地址幀后，進行中斷處理，進入相應的中斷服務程序，并和本機地址進行比較以確認是否為被尋址從機。
(4)被尋址的從機通過指令清除SM2，使SM2=0進入接收數據狀態，可以接收主機隨后發送的數據(包括命令)，并向主機發回接收到的從機地址作為響應信號，供主機核對，實現主機與被尋址從機的雙機通信；未被尋址從機保持SM2=1，并退出中斷服務程序。
(5)完成主機和被尋址從機之間的數據通信，被尋址從機在通信完成后重新使SM2=1，并退出中斷服務程序，恢復到監聽狀態，等待下次通信。

2 交通燈控制網絡硬件電路設計
2．1 硬件電路
城市交通控制系統是一個聯動的系統，所有路口的交通燈控制系統由一臺中心主機控制，當某一路口將出現緊急情況時(如交通管制、交通堵塞、路段維修等)，單擊中心主機的對應按鈕即可使該路口的所有紅燈亮，禁止所有普通車輛通行。本文利用Proteus軟件仿真設計了
一臺主機控制兩臺從機的主從式多機系統，實施時可以擴展到253臺主機，硬件電路如圖2所示。單片機U1為主機，U2、U3為從機，代表兩個路口的控制機，S1、S2為按鈕，分別與U1的P1．1、P1．0連接，當按下時分別控制兩個路口的交通信號燈為所有紅燈亮，表示該路口出現緊急情況。與主機U1相連的兩個BCD數碼管用于顯示從機接收到的響應幀，即出現緊急情況的路口地址號，如果接收到的響應幀傳送出現錯誤，與主機發出的地址號不同時，這兩個數碼管顯示FF，當S1和S2沒有按下時，這兩個數碼管也顯示FF。

由于串行口通信時傳輸的“0”或者“1”是通過相對于“地”的電壓區分的，因此使用串行口通信時，必須將主、從機的“地”線相連以使其具有相同的電壓參考點。