双机通信系统

***学校
课程设计说明书
2012/2013 学年第 1 学期
学 专
院： 业：
电子与计算机科学技术学院 电子科学与技术 **** 学 号： 双机通信系统 2013 年*月 *日～2013 年*月*日 电子科学与技术专业实验室 **** **** *****
学 生 姓 名： 课程设计题目：
起 迄 日 期： 课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任 ：
完成日期:
2013 年 *月 *日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
① 掌握电子电路的一般设计方法和设计流程； ② 学习使用 PROTEL 软件绘制电路原理图及印刷板图； ③ 掌握应用 EWB 对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等） ：
设计一个双机通信系统，具体要求如下： 1. 甲机采集数字信号通过 422 接口传输到乙机。 2．乙机接收甲机传来的数字信号，并用 LED 显示。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图 纸、实物样品等〕 ：
① 课程设计说明书； ② 电路原理图和印刷板图； ③ 仿真图形和仿真结果。

课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献：
① 童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2002 ② 张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2004 ③ 陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：机械工业出版社，2005 ④ 毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2005 ⑤ 潘永雄．电子线路 CAD 实用教程．西安：西安电子科技大学出版社，2002 ⑥ 张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：航空工业出版社，2004
5．设计成果形式及要求：
提交内容：课程设计说明书、电路原理图和印刷板图、仿真图形和仿真结果。 基本要求：绘制出电路原理图和印刷板图，通过仿真验证设计正确性。
6．工作计划及进度：
2013 年 1 月 2 日——2013 年 1 月 7 日：学习 PROTEL、EWB 软件的使用； 2013 年 1 月 8 日：设计中期检查； 2013 年 1 月 8 日——2012 年 1 月 14 日：按任务书要求进行设计和仿真； 2013 年 1 月 15 日：设计答辩，提交设计报告和考核。
系主任审查意见：
签字： 年 月 日

目录
引言................................................................ 错误！未定义书签。 1 系统整体设计...................................................... 错误！未定义书签。 1.1 系统设计思路.................................................3 1.2 系统设计原理.................................................3 1.2.1 串行通信...............................................3 1.2.2 基本设计原理述.........................................5 1.3 系统设计结构图...............................................5 2.硬件电路设计及实现................................................9 2.1 硬件电路设计方案.............................................9 2.2 硬件电路的实现...............................................9 2.2.1 以 89C51 为核心的单片机最小系统..........................9 2.2.2 数 码 管 显 示 模 块.........................................10 2.2.3 主 机 校 验 指 示 模 块.......................................10 3. 软件系统实现.....................................................7 3.1 软件实现方案分析 ...........................................7 3.1.1 串行通信分为查询方式和中断方式.........................7 3.2 主程序......................................................7 4 总结.............................................................11 4.1 心得体会....................................................11 5 附录.............................................................12 5.1 PROTEL 软件绘制电路原理图及印刷板图.........................13 5.2 Proteus 仿真图..............................................14

引言
【摘要】 串行通信是单片机的一个重要应用。本设计就是利用单片机来完成 一个系统，实现双片单片机串行通信。随着计算机技术的快速发展和广泛应用， 从智能家用电器到工业上的控制系统都采用了上位机与下位机基于串行通信的 主从工作方式， 这样就充分利用了微机分析处理能力强、速度快的特点及下位机 （单片机）面向控制、使用灵活方便的优势。由于 87C51 系列单片机具有性能稳 定、工作可靠、价格低廉等可特点，因此其应用相当广泛。87C51 单片机中有异 步通信串行接口，能方便的构成双机，多机通信接口。随着测量向自动化，智能 化，网络化方向的发展。利用多机通信构成的分布式系统逐渐普及。本实验就点 对点的双机通信进行训练。学习串口的工作方式，初始化编程，和单片机与单片 机点对点通信的编程方法以及硬件电路的设计方法。 在此基础上可以进一步提高， 实现多机通信以及单片机与 PC 机的通信。 【关键字】 双机通信 从机应答 单片机

1.系统整体设计
1.1 系统设计思路
该系统采用主从共两片 87C51 单片机来实现上位机对下位机的控制， 由于是 近距离的双机通信， 我们采用单片机直接交叉连接的方式，上位机发送的数据由 串行口 TXD 端输出， 直接由下位机的串行口数据接收端 RXD 接收。需要注意的是 一定要保证主从机相同的数据传输速率，即要求设置相同的波特率。电路分为数 码管显示模块，主机校验指示模块、以及单片机工作的基本复位、晶振模块。
1.2.系统设计原理 1.2.1 串行通信
串行数据通信要解决两个关键问题，一个是数据传送，另一个是数据转换。 所谓数据传送就是指数据以什么形式进行传送。 所谓数据转换就是指单片机在接 收数据时，如何把接收到的串行数据转化为并行数据，单片机在发送数据时，如 何把并行数据转换为串行数据进行发送。 单片机的串行通信使用的是异步串行通 信， 所谓异步就是指发送端和接收端使用的不是同一个时钟。异步串行通信通常 以字符（或者字节）为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端一帧一帧地传送， 接收端通过传输线一帧一帧地接收。而对于两个单片机之间的串行通信，由于具 有相同的数据格式及电平且是短距离通信则不必要使用一些电平转化芯片（如 max232 等）便可直接实现串行通讯，需要注意的是两单片机硬件要共地，软件 中需要设置相同波特率。 51 单片机有一个全双工的异步串行通信口（UART） ，串行结构如下： （1）数据缓冲器（SBUF） 接受或发送的数据都要先送到 SBUF 缓存。 有两个， 一个缓存， 另一个接受， 用同一直接地址 99H,发送时用指令将数据送到 SBUF 即可启动发送；接收时用指 令将 SBUF 中接收到的数据取出。 （2）串行控制寄存器（SCON） SCON 用于串行通信方式的选择，收发控制及状态指示，各位含义如下： SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI
SM0,SM1:串行接口工作方式选择位，这两位组合成 00，01，10，11 对应于 工作方式 0、1、2、3。串行接口工作方式特点见下表
串行口工作方式表
SM0
SM1
工
功能
波特率

作方式 0 0 0 1 0 1 8 位同步移位寄存器（用于 I/O 扩展） 10 位异步串行通信（UART） fORC/12 可变 （T1 溢 出 率 *2SMOD/32） fORC/64 或 fORC/32 可变 （T1 溢 出 率 *2SMOD/32）
1 1
0 1
2 3
11 位异步串行通信（UART） 11 位异步串行通信（UART）
SM2：多机通信控制位。 REN：接收允许控制位。软件置 1 允许接收；软件置 0 禁止接收。 TB8：方式 2 或 3 时，TB8 为要发送的第 9 位数据，根据需要由软件置 1 或 清 0。 RB9：在方式 2 或 3 时，RB8 位接收到的第 9 位数据，实际为主机发送的第 9 位数据 TB8，使从机根据这一位来判断主机发送的时呼叫地址还是要传送的数据。 TI：发送中断标志。发送完一帧数据后由硬件自动置位，并申请中断。必须 要软件清零后才能继续发送。 RI：接收中断标志。接收完一帧数据后由硬件自动置位，并申请中断。必须 要软件清零后才能继续接收。 （3）输入移位寄存器 接收的数据先串行进入输入移位寄存器，8 位数据全移入后，再并行送入接 收 SBUF 中。 （4）波特率发生器 波特率发生器用来控制串行通信的数据传输速率的，51 系列单片机用定时 器 T1 作为波特率发生器，T1 设置在定时方式。波特率时用来表示串行通信数据 传输快慢程度的物理量，定义为每秒钟传送的数据位数。 （5）电源控制寄存器 PCON 其最高位为 SMOD。 （6）波特率计算 当定时器 T1 工作在定时方式的时候，定时器 T1 溢出率=（T1 计数率）/（产 生溢出所需机器周期） 。由于是定时方式，T1 计数率= fORC/12。产生溢出所需 机器周期数=模 M-计数初值 X。

1.2.2 基本设计原理概述
双机通信系统通过主从单片机的串行口来实现数据的收发。 主单片机通过开 关电路来启动发送程序， 当开关按下时向从机发送一个数据，从机通过接收中断 来接收主机发送过来的数据， 并通过编写好的数据代码在 LED 数码管上显示主机 发送过来的数据。 同时从机给主机发送一个应答信号来表示已经接收到了主机发 送过来的数据，在主机接收应答并校验正确，以二极管显示，这样就完成了一个 数据的通信过程，等待按键按下，然后继续下一次数据的发送直到结束。
1.3 系统设计结构图
开始
初始化
等待按键
Y
主机发送
从机查询接收
从机回送应答
主机中断接收应答
LED 闪烁
N 输出完成？
Y
结束 图 1.3-1 双机通信系统结构图

2.硬件电路设计及实现
2.1 硬件电路设计方案
从硬件电路设计的目标出发，我们尽量考虑到可靠、高效、简洁的原则，在 整个系统设计过程中严格按照规范进行，做好各部分模块设计最优。简洁是指在 满足了可靠、 高效的要求后， 为了尽量在器件允许的范围内使电路设计导线无交 叉，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电 路部分重量轻。在焊接电路板时由于从机的数码管管脚排布无规律，使得导线不 能直接的焊接， 我们尽量合理设计元件排列和电路走线， 使本系统达到设计要求。
2.2 硬件电路的实现
整个双机通信系统以 87C51 单片机为主控制器，由数码管为核心的数据显示 模块、主机校验指示模块、以及单片机最小系统构成。
2.2.1 以 87C51 为核心的单片机最小系统
87C51 单片机的最小系统采用内部时钟方式:以 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接晶 振， 构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，然后给晶振的每个脚 分别外接一个 30PF 的电容， 以此使晶振快速起振并且达到约 12MHZ 的稳定频率。 而在单片机的 RST 脚接上按键开关以及适当的电阻、 电容便构成按键与断电两用 的复位电路。具体电路如图 2.2.1-1 所示：
图 2.2.1-1 单片机最小系统

2.2.2 数码管显示模块
设计中，我们使用的是共阴的两位一体数码管并使用 P0 口控制数码管段选 信号，P2 口选取两位为位选信号控制端。拿到数码观后，我们借助万用表进行 测试， 最终确定为共阴型数码管，进一步测试便得出了该数码管对应的管脚分布 图。
2.2.3 主机校验指示模块
主机接收从机应答信号进行校验， 成功后点亮 P1 口的指示灯并保持一段时 间，然后进入等待状态，当按键按下便开始下一次数据传送。这种握手模式是单 片机在串行编程中使用的提高数据传输准确性的有效方法。
3 软件系统实现
3.1 软件实现方案分析
3.1.1 串行通信分为查询方式和中断方式
编程中， 对于从机我们拟定采用中断接收和查询发送方式，原因在于程序开 销无异。中断方式使得从机时刻处于准备接收状态，接收后判断范围，显示，再 回送。而对于主机，工作流程分析如下：得到按键允许，开始查询发送，查询中 等待应答即中断接收，中断后得到应答，使得 LED 指示灯闪烁，如此往复。 串行通信程序设计包括：1）初始化程序：对特殊功能寄存器 SCON 和 PEON 的设置， 来选择串行口的工作方式， 设置通信波特率。 由于设计采用了中断方式， 则还要对中断系统进行设置；2）发送数据的程序：51 单片机串口发送数据的条 件是串行口已准备好，此时标志位 TI 状态为“1”，则需将待发数据传送到发送 数据缓冲期 SBUF,即启动一次发送；3）接收数据的程序：51 单片机串行口接收 数据的条件是 SCON 中的 RI 置“1”，表明串行口已收到一个字节数据，此时即 可置位取数标志；4）通信控制程序：用来控制发送和接收的进行。
3.2 主程序
//从机 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar read_flag=0,x=0; sbit P20=P2^0; sbit P21=P2^1; uchar code CODE[]= { 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90 }; /********************************************************************

****** 函数功能：延时 ms ********************************************************************* *****/ void mDelay(uint DelayTime) { uchar i; for(;DelayTime>0;DelayTime--) for(i=0;i<120;i++); } /******************************************************************** ****** 函数功能：发送一个字节数据 ********************************************************************* *****/ void SendData(uchar Data) { SBUF = Data; while(TI == 0); TI = 0; } /******************************************************************** ****** 函数功能：显示接收到的数据 ********************************************************************* *****/ void Display(uchar x) { P21=0; P20=1; P0 = CODE[x]; mDelay(20); } /******************************************************************** ****** 主函数 ********************************************************************* *****/ void main() { P0 =0X00; P2 =0XFF;

SCON = 0x50;//SMO SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI R，方式 1，允许串行接收 TMOD = 0x20;//方式 2，自动重装 PCON = 0x00; TH1 = 0xfd;//0xfd=253 波特率=32*12M/12/(256-253) TL1 = 0xfd; TI = 0; RI = 0; TR1 = 1; IE = 0x90; while(1) { if(read_flag) { read_flag=0; mDelay(200); SendData(x); } } } /******************************************************************** ****** 函数功能：中断接收，置位取数标志 ********************************************************************* *****/ void S_INT() interrupt 4 { if(RI) { RI = 0; read_flag=1; //置位取数标志 x=SBUF; if(x>=0&&x<=9) Display(x); else P0 = 0x00; //共阴 } } //主机 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit Key = P1^7; sbit Led = P1^6; uchar code CODE[]=

{ 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f }; uchar code table[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 }; /******************************************************************** ****** 函数功能：延时 ms ********************************************************************* *****/ void mDelay(uint DelayTime) { uchar i; for(;DelayTime>0;DelayTime--) for(i=0;i<120;i++); } /******************************************************************** ****** 函数功能：发送一个字节数据 ********************************************************************* *****/ void SendData(uchar Data) { SBUF = Data; while(TI == 0);TI = 0; } /******************************************************************** ****** 函数 ********************************************************************* *****/ void main() { uchar Data = 0,i=0; Led = 0; P0 = 0x00; SCON = 0x50;//REN=1,允许串行接收 TMOD = 0x20; PCON = 0x00; TH1 = 0xfd; TL1 = 0xfd; IE = 0x90; TI = 0; RI = 0; TR1 = 1;

while(1) { if(Key==0) mDelay(500); while(Key==1); if(i<=16) { Data=table[i]; i++; SendData(Data); } } } /******************************************************************** ****** 函数功能：中断接收数据，指示灯闪烁 ********************************************************************* *****/ void S_INT() interrupt 4 { if(RI) { RI = 0; Led=1; mDelay(150); Led=0; } }
4.总结
本次实训增强了我查阅资料的方法技巧， 更是大大的提高了我们自学的能力， 同时也增强了我们的动手能力。 我很清楚这个实验的目的，表面上我们最终仅仅只是实现了设计要求的基 本功能，但我觉得，这次课程设计更加深刻的意义是——从这样一个最基本,简 单的实验中， 从这样一个完整的过程中我了解一种系统设计的流程，甚至说是一 种思路，思维。 从最初拿到题目，分析设计要求以及实现的初步思路，然后去查阅资料进 行更加具体的设计，整体上比较全面的统筹设计。于是，初步规划后，我开始将 系统要实现功能的各个模块单独开来用 PROTEUS 仿真， 并最终将各个模块组合后 整体调试。 整个过程中我在仿真上花费了较长时间，因为知道仿真成功是实现真 正硬件电路的基础， 仿真是从根本上检验设计者的设计逻辑以及思路的，很好的 仿真才能使得设计系统在实现要求功能的基础上更加稳定、简单，仿真中，我们 仔细斟酌了电路布线的合理性。 在编写程序代码的时候， 使我学习到了最大的是 87S51 单片机的中断程序的

编写。 在编写程序的时候由于之前只是在课余学的单片机中的中断源以及中断向 量，所以在实践的编写代码过程中会遇到很多不懂的问题，需要请教同学，并学 会了单片机的有关中断设计的思想，由于我是制作双机通信的课程设计，所以在 实验中需要用到两片单片机作为主从机来控制信号的接受与发送。 还学习到了单 片机在使用中断的时候， 如果有中断申请的话，硬件电路会自动把单片机里接受 发送中断的 TI 和 RI 置 1.这样就表示单片机此时有外部中断的申请，必须开中 断来接受发送过来的信号。

5.附录
5.1 PROTEL 软件绘制电路原理图及印刷板图
图 5.1-1 电路原理图
图 5.1-2 PCB 印刷板图

5.2 Proteus 仿真图
图 5.2-1 双机通信系统的 proteus 仿真图