摘要：介紹一種橋接不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的解決方案。該方案采用高性能AVR ATmega128為其控制核心,。AVR ATmega128采用ModBus/RTU協(xié)議與計算機(jī)通信,，通過多處理器通信模式與其他分控設(shè)備通信。本方案經(jīng)過在實際中運(yùn)行,，證明其設(shè)計是可行的,。 
關(guān)鍵詞：AVR ATmega128、Modbus/RTU,、AVR多處理器通信模式,、CRC16 

1 引言

   如今，電子技術(shù)發(fā)展迅猛,，尤其是單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用于通信,、交通、家用電器,、便攜式智能儀表,、機(jī)器人制作等領(lǐng)域，產(chǎn)品功能,、精度和質(zhì)量大幅度提高,，且電路簡單，故障率低,，可靠性高,，成本低廉。在單片機(jī)某些應(yīng)用方面,，對網(wǎng)絡(luò)靈活性和多樣性需求的不斷增加,，網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)顯得越來越重要。工業(yè)網(wǎng)關(guān)為橋接不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供了一種解決方案,。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。

（圖1）

RS-232C是廣泛應(yīng)用的串口通信標(biāo)準(zhǔn),，但因其推出較早，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信中已暴露出數(shù)據(jù)傳輸速度慢,、傳輸距離短,、接口處各信號間容易產(chǎn)生干擾等明顯的缺點(diǎn)。RS-485是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn),，它擴(kuò)展了RS-422A的性能,，允許雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動32個負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動發(fā)送器,、接收器或收發(fā)器,，RS-485最大傳輸距離為1200m,最大傳送速率可達(dá)10Mb/s。因此,，RS-485在遠(yuǎn)程通信和多機(jī)總線系統(tǒng)中具有很大的吸引力,。

如圖1所示，將AVR ATmega128的標(biāo)準(zhǔn)的通用異步接收/發(fā)送通信接口0（UART0）轉(zhuǎn)換成半雙工485串口,。同樣,，PC機(jī)的RS-232C串口也轉(zhuǎn)換成485串口。它們之間采用Modbus/RTU協(xié)議進(jìn)行通信,，AVR ATmega128作為從設(shè)備,。AVR ATmega128與其下行的AVR分控設(shè)備通過485串行總線并在一起。它們之間采用AVR單片機(jī)特有的多機(jī)通信方式進(jìn)行通信,。其中AVR ATmega128是主控設(shè)備,，其他的AVR分控設(shè)備是從控設(shè)備。

3  AVR ATmega128單片機(jī)

ATmega128單片機(jī)為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器,。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間,，ATmega128單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，故可以緩減系統(tǒng)的功耗和處理速度之間的矛盾,。AVR單片機(jī)內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器,。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器,。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率,，并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐量。ATmega128單片機(jī)內(nèi)部帶有128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash程序存儲器,，具有在寫的過程中還可以讀的能力,，即同時讀寫(RWW); 4KB的EEPROM；4KB的SRAM,；53個通用I/O端口線,；32個通用工作寄存器；實時時鐘(RTC)；4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/記數(shù)器(T/C),；2個USART,；面向字節(jié)的兩線接口(TWI)；8通道10位ADC,；可選的可編程增益,；片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；串行外圍設(shè)備接口(SPI),；與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口,，此接口同時還可以用于片上調(diào)試；6種可以通過軟件選擇的省電模式,。

4 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言,。通過此協(xié)議，控制器相互之間,、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信,。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它,，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu),，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程,，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求,，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式,。當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時,，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息,，決定要產(chǎn)生何種行動,。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出,。在其它網(wǎng)絡(luò)上,，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址,、路由路徑及錯誤檢測的方法,。

Modbus網(wǎng)絡(luò)能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種進(jìn)行通信。用戶選擇想要的模式,，包括串口通信參數(shù)（波特率,、校驗方式等），在配置每個控制器的時候,，在一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù),。

當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信,，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下,，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù),。

代碼系統(tǒng)：

ü         8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0．．．９,，A．．．Ｆ

ü         消息中的每個8位域都是一個兩個十六進(jìn)制字符組成

每個字節(jié)的位：

ü         1個起始位

ü         8個數(shù)據(jù)位,，最小的有效位先發(fā)送

ü         1個奇偶校驗位，無校驗則無

ü         1個停止位（有校驗時）,，2個Bit（無校驗時）

錯誤檢測域

ü         CRC（循環(huán)冗長檢測）

使用RTU模式,，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。在網(wǎng)絡(luò)下多樣的字符時間,，這是最容易實現(xiàn)的（如下圖2所示）,。傳輸?shù)牡谝粋€域是設(shè)備地址?？梢允褂玫膫鬏斪址鞘M(jìn)制的0…9,A…F,。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線，包括停頓間隔時間內(nèi),。當(dāng)?shù)谝挥颍ǖ刂酚颍┙邮盏?，每個設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個傳輸字符之后,，一個至少3.5個字符時間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束,。一個新的消息可在停頓后開始。

整個消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸,。如果在幀完成之前有超過 3.5個字符時間的停頓時間,，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址域。同樣地,，如果一個新消息在小于3.5個字符時間內(nèi)接著前個消息開始,，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這將導(dǎo)致一個錯誤,，因為在最后的CRC域的值不可能是正確的,。一典型的RTU消息幀如下所示：

當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時，每個字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送（從左到右）：最低有效位．．．最高有效位,。

使用RTU字符幀時,，位的序列是：

5  CRC16檢測

循環(huán)冗余碼CRC檢驗技術(shù)廣泛應(yīng)用于測控及通信領(lǐng)域。CRC計算可以靠專用的硬件來實現(xiàn),，但是對于低成本的微控制器系統(tǒng),，在沒有硬件支持下實現(xiàn)CRC檢驗，關(guān)鍵的問題就是如何通過軟件來完成CRC計算，也就是CRC算法的問題,。計算CRC16有三種算法：按位計算CRC,、字節(jié)計算CRC、半字節(jié)計算CRC,。這三種算法它們稍有不同,，按位求法速度較慢，但占用最小的內(nèi)存空間,；按字節(jié)查表求CRC的方法速度較快,，但占用較大的內(nèi)存；按半字節(jié)查表求CRC的方法是前兩者的均衡,，即不會占用太多的內(nèi)存,，同時速度又不至于太慢，比較適合8位小內(nèi)存的單片機(jī)的應(yīng)用場合,。

6 AVR單片機(jī)多處理器通信模式

置位UCSRA 的多處理器通信模式位(MPCM) 可以對USART 接收器接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行過濾,。那些沒有地址信息的幀將被忽略，也不會存入接收緩沖器,。在一個多處理器系統(tǒng)中,，處理器通過同樣的串行總線進(jìn)行通信，這種過濾有效的減少了需要CPU 處理的數(shù)據(jù)幀的數(shù)量,。MPCM位的設(shè)置不影響發(fā)送器的工作,，但在使用多處理器通信模式的系統(tǒng)中，它的使用方法會有所不同,。如果接收器所接收的數(shù)據(jù)幀長度為5 到8 位,，那么第一個停止位表示這一幀包含的是數(shù)據(jù)還是地址信息。如果接收器所接收的數(shù)據(jù)幀長度為9 位,，那么由第9 位(RXB8) 來確定是數(shù)據(jù)還是地址信息。如果確定幀類型的位( 第一個停止位或第9 個數(shù)據(jù)位) 為1,，那么這是地址幀,，否則為數(shù)據(jù)幀。在多處理器通信模式下,，多個從處理器可以從一個主處理器接收數(shù)據(jù),。首先要通過解碼地址幀來確定所尋址的是哪一個處理器。如果尋址到某一個處理器,，它將正常接收后續(xù)的數(shù)據(jù),，而其他的從處理器會忽略這些幀直到接收到另一個地址幀。

對于一個作為主機(jī)的處理器來說,，它可以使用9 位數(shù)據(jù)幀格式(UCSZ = 7),。如果傳輸?shù)氖且粋€地址幀(TXB8 = 1) 就將第9 位(TXB8) 置1，如果是一個數(shù)據(jù)幀(TXB = 0) 就將它清零。在這種幀格式下,，從處理器必須工作于9 位數(shù)據(jù)幀格式,。

下面即為在多處理器通信模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的步驟：

5.1 所有從處理器都工作在多處理器通信模式(UCSRA 寄存器的MPCM 置位)。

5.2 主處理器發(fā)送地址幀后,，所有從處理器都會接收并讀取此幀,。從處理器UCSRA寄存器的RXC 正常置位。

5.3 每一個從處理器都會讀取UDR 寄存器的內(nèi)容已確定自己是否被選中,。如果選中,，就清零UCSRA 的MPCM 位，否則它將等待下一個地址字節(jié)的到來,，并保持MPCM 為1,。

5.4 被尋址的從處理器將接收所有的數(shù)據(jù)幀，直到收到一個新的地址幀,。而那些保持MPCM 位為1 的從處理器將忽略這些數(shù)據(jù),。

5.5被尋址的處理器接收到最后一個數(shù)據(jù)幀后，它將置位MPCM,，并等待主處理器發(fā)送下一個地址幀,。然后第2 步之后的步驟重復(fù)進(jìn)行。

使用5 至8 比特的幀格式是可以的,，但是不實際,，因為接收器必須在使用n 和n+1 幀格式之間進(jìn)行切換。由于接收器和發(fā)送器使用相同的字符長度設(shè)置,，這種設(shè)置使得全雙工操作變得很困難,。如果使用5 至8 比特的幀格式，發(fā)送器應(yīng)該設(shè)置兩個停止位(USBS = 1),，其中的第一個停止位被用于判斷幀類型,。不要使用讀- 修改- 寫指令(SBI 和CBI) 來操作MPCM 位。MPCM 和TXC 標(biāo)志使用相同的I/O 單元,，使用SBI 或CBI 指令可能會不小心將它清零,。在本設(shè)計方案中，AVR ATmega128作為多處理器通信模式中的主處理器,，其他的AVR分控設(shè)備做為從處理器,。

7結(jié)束語

采用本方案所介紹的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于AVR ATmega128與上位機(jī)之間通信是基于Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,，而與其他的AVR分控設(shè)備之間采用AVR單片機(jī)所特有的多處理器通信,。因此，在保證系統(tǒng)開放性的同時,，又能保證數(shù)據(jù)處理效率的提高,。在交通控制,、智能化停車場管理系統(tǒng)等方面，本設(shè)計方案有一定的參考價值,。

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