基于服务的AT89x51单片机的网络体系架构

李　浩，吴建龙，李长艳

(1.首钢工学院 机电工程系，北京 100144；2.北京佳点风向网络科技有限公司，北京 100013)



基于服务的AT89x51单片机的网络体系架构

李浩1，吴建龙1，李长艳2

(1.首钢工学院 机电工程系，北京 100144；2.北京佳点风向网络科技有限公司，北京 100013)

详细阐述利用AT89x51单片机异步串行口组成的主从式网络系统和对等式网络系统的特点、硬件构成、通信协议、软件程序流程图以及信道争用的应对等，并通过软件仿真验证了系统设计的正确性。

AT89x51；网络体系架构；主从式网络；对等式网络；令牌环

引用格式：李浩，吴建龙，李长艳. 基于服务的AT89x51单片机的网络体系架构[J].微型机与应用，2016,35(16)：53-56，59.

0　引言

众所周知，计算机网络的类型可以从多个角度划分,从地理位置上分为局域网、城域网和广域网等；从传输介质上分为有线网、光纤网和无线网等；从拓扑结构上分为星型网络、环形网络、总线网络等；从服务类型上分为主从式(C/S)网络和对等式网络。当然，随着计算机网络在各行各业应用越来越广泛，关注点不同，也就出现了更多的分类方法，此处不再一一列举。本文对基于51单片机构成的主从式网络和对等式网络的体系架构的设计与实现进行详细阐述。

1　当前研究现状及研究对象模型

图1是本文项目的载体平台，欲实现的功能是：3台单片机均在00～99范围内循环计数并显示；每台机器上都加装有按键，且每次按下的计数值不一样；每台机器上的计数值不能在本台机器控制的LED上显示，需要通过总线网络传输到其他机器上显示。要实现这个功能，可以利用两种网络架构来实现，即主从式网络和对等式网络。通过查询中国知网、万方数据库以及国内绝大多数的教科书和科技文献可以发现：51单片机多机串口通信方面的内容大多限于主从式网络，即使涉及了对等式网络，这些论文中又将它们人为地分成了A组和B组，异组之间可以随意通信，同组之间的单片机还是不能实现直接通信[1-3]，没有彻底解决地位“平等”的问题。

图1　研究对象

2　AT89x51/52单片机的串口通信资源

AT89x51/52单片机的异步串口由接收端RXD和发送端TXD两个管脚组成。

完成一次传输的基本单位是一个字节，它是通过发送SBUF字节寄存器和接收SBUF字节寄存器来完成的。

串口控制寄存器SCON[4]的各位功能如表1所示。

表1　SCON控制字

异步串行通信方式下，该控制寄存器中，对实现多机通信起着关键作用的是SM2和TB8/SB8这3位。这3个控制位的具体工作机制(通信协议)如下。

(1)接收令牌(地址)帧信息，然后与本地站地址比对，如果相同，则可以进行以下步骤；如果不同，则不能往总线上发送信息。

(2)在传输信息以前，必须首先分别将3台单片机的SM2都设置为1，表示发送机即将发送的地址帧信息，其余两台单片机都需要接收。

(3)发送机端需将TB8置位，表示本帧信息为地址帧。两台接收机接收到地址帧后立即与本机地址进行比对，如果相同，则将自己的SM2设置为0，该接收机能对接下来即将发送过来的数据帧产生接收中断，即下一步通信不再是多方接收，而是双机之间的一对一通信；如果不同，则该接收机仍然保持SM2的置位状态，它对接下来发送的数据帧不会产生中断信号RI，因此不予接收。

(4)发送机清零TB8，表示本帧信息为数据帧。只有SM2=0的接收机才能接收到本数据帧，本次数据传输结束，该接收机需将SM2置为1，为下一次接收地址帧作好准备。

(5)令牌字节的处理以及令牌的传递。

3　基于主从式网络的系统实现

当多台51单片机工作于多机主从通信模式下，通信各方之间就有主、从之分；若直接采用TTL电平进行互连，则主机与各台从机之间的连接距离最好不要超过1 m[5]。主从式架构的网络具有如下一些特点。

(1)该网络体系中只能有一台主机，可以有多台从机；

(2)主机与从机都能自主地在网络上发送信息；

(3)主机可以在网络上进行一对多广播或一对一单播；

(4)从机所发信息的接收对象只能是主机，如果从机之间必须要通信，则只能通过主机进行周转，这样就增加了主机的负担。

图2　基于主从式架构的网络系统

3.1本系统的主从式网络体系架构

基于主从式网络的特点，本项目平台硬件连接如图2所示。本系统欲实现的功能有：主机的计数值送1号从机，主机的计数值加1后送2号从机；1号从机和2号从机的计数值分别送主机间隔3 s循环显示。

图3　主机程序流程图

3.2系统的软件流程图

主机的程序流程图如图3所示，1、2号从机的程序流程图如图4所示。

主从式网络架构下，主机在发送信息给某台从机以前，先在网络上广播接收机的站地址，待目的站地址回送该地址帧(本文成为握手成功)后再与目的接收机一对一地进行通信。

主从式网络架构下，从机先发送地址帧信息给主机(只有主机能接收)，主机不回送该地址帧，紧接着，发送数据帧给主机。主机间隔3 s轮流显示两台从机发送过来的数据值。

图4　从机程序流程图

4　基于对等式网络的系统实现

4.1对等式网络的特点

对等式网络中的终端在地位上完全相等，网络终端均可以发送信息给网络中其他任何一方，没有任何限制。

4.2异步串行通信的数据格式

异步串行通信数据格式如图5所示。

由其数据格式可以看出，网络在空闲时，TXD和RXD网线上始终是高电平，它对构建51单片机之间的连接具有至关重要的作用。

4.3本系统的对等式网络体系架构

基于对等式架构的网络系统如图6所示。

根据对等网的要求，每台单片机的输出信号都需要送到其他各台单片机的输入口。考虑到单片机的TXD端在空闲时始终处于高电平，因此，另外两台单片机的输出端TXD的信号通过两输入的与门74LS08或CD4081的输出连接到本机的RXD端，这样就能有效地将该3台单片机进行互连，此时，每台单片机地位平等、没有主次之分，任何一台单片机都能将信息传递到任何其他的机器上。

本系统欲实现的功能有：1号机的计数值送2号机LED显示，2号机的计数值送3号机LED显示，3号机的计数值送1号机LED显示。

图5　异步串行通信数据格式

图6　基于对等式架构的网络系统

4.4系统的软件流程图

由于2、3号机的程序流程图与1号机类同，予以省略。1号机的程序流程图如图7所示。

图7　1号机程序流程图

对等式网络架构下，每台机器在发送信息给其他某台机器以前，先在网络上广播接收机的站地址，待目的站地址回送该地址帧(握手成功)后再与目的接收机进行一对一的通信。

5　信道争用的应对

不论是主从式网络系统还是对等式网络系统，都存在多台机器同时往总线上发送信息导致信息被破坏的情况，为了有效地克服这个重大的缺陷，本文采用令牌环的方式来加以规范和应对。

具体的工作机制如下。

(1)令牌的实质就是一个地址帧，它由一个字节的变量来表示，该字节表示当前时刻能往总线上发送数据的站地址，因此，构成该网络的单片机总数可以达到256台。

(2)所有连网的单片机构成一个令牌环网。

(3)每台单片机每次死循环的最后一项任务就是在该令牌环网内广播传递令牌。

(4)所有单片机接收到该令牌后，将令牌中的内容和本站地址作一比对，如果相同，则该站可以主动往总线上发送信息；若不相同，则不允许发送。

(5)除最大站地址外，本站在完成了网络传递任务后，会将令牌帧内容加1并在网络上广播以传递令牌给下一站；而最大地址站则需将令牌帧的内容赋为最小站地址，表示下一次能占用网络资源的站点地址。

因此，出现了第2节网络协议的步骤(1)和(5)，同时在前述图3、图4以及图7的流程图中也已经包含了令牌环的传递和处理等功能。

需要特别指出的是，图3主从式网络中，由于从机之间不能互发信息，因此从机之间互发令牌帧的操作需要通过主机来周转，由于篇幅限制，在流程图中没有详细体现出来。

6　系统仿真与验证

6.1主从式网络系统仿真与验证

硬件仿真原理图[6]以及仿真结果如图8所示。

6.2对等式网络系统仿真与验证

硬件仿真原理图以及仿真结果如图9所示。

7　结论

本文从服务分类的角度，对51单片机异步串口的网络体系结构进行了详细、全面的阐述。实践证明上述原理和方法是可行的，但是出现了网络利用率不高的缺陷，因此，提高总线的利用率是以后研究的重点。

图8　主从式网络系统仿真效果图

图9　对等式网络系统仿真效果图

[1] 虞耀君，王晓红，张幼明.对等式令牌测控网络的设计与实现[J].微计算机信息，2007,23(8-2):51-53.

[2] 吴德会,王晓红.对等式测控网的设计与实现[J].计算机测量与控制，2005,13(7):627-630.

[3] 杨会成,卓芝强.单片机与PC机串行数据通信的工程实践[J].微型机与应用，2003,22(5):22-25.

[4] 杨瑞良，李平，邱清，等.计算机网络技术基础[M].北京：北京大学出版社， 2008.

[5] 俞国亮.MCS-51单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例——基于8051+ Proteus仿真(第2版)[M].北京：电子工业出版社，2012.

李浩(1974-)，通信作者，男，硕士，讲师，主要研究方向：电子系统设计、计算机控制系统、自动控制系统。E-mial:sggxylh@163.com。

Services-based network architectures about AT89x51 MCU

Li Hao1, Wu Jianlong1, Li Changyan2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shougang Institute of Technology, Beijing 100144, China;2.Jiadianfengxiang Network Technology Co.,Ltd., Beijing 100013,China)

AT89x51 MCU’s C/S network architecture and peer-to-peer network architecture are elaborated, including characters, hardware composition, communication protocol, the program flow chart, and the cope with channel contention of the MCUs. At the end, the correctness of the theories is tested through software.

AT89x51; network architecture; C/S architecture; peer-to-peer architecture; token ring

TP368.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.016

2016-03-17)