ATmega161在嵌入式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

1引言

隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展以及工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防等部門對(duì)智能控制要求的不斷提高，嵌入式微處理器被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。為了適應(yīng)各方面的需求，嵌入式微處理器在運(yùn)算速度、可擴(kuò)充能力、系統(tǒng)可靠性、功耗和集成度等方面得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個(gè)從CISC（Complex In－struction Set Computer）到RISC（Reduced Instruction SetComputer），從4位、8位、16位到32位甚至64位，尋址空間從64kB到16MB甚至更大，處理速度從0．1MIPS到2000 MIPS的過(guò)程。

ATmega161是一款基于AVR（Advanced RISC）的低功耗CMOS8位單片機(jī)，它以其強(qiáng)大的功能和較高的性價(jià)比得到了不少嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者的青睞。其主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）ATmega161增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)方面
●內(nèi)含2周期乘法器；
●具有32個(gè)8位通用（工作）寄存器；
●工作在8MHz時(shí)，具有8MIPS的性能；
●具有130條指令，大多數(shù)為單周期指令；

（2）數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器方面
●內(nèi)含16k非易失在系統(tǒng)可編程FLASH；
●具有1k的內(nèi)部SRAM；
●帶有512字節(jié)非易失在系統(tǒng)編程EEPROM；
●能進(jìn)行可編程程序加密。

（3）外圍特點(diǎn)
●帶有兩個(gè)可編程全雙工UART；
●帶有主／從SPI串行接口；
●具有自身振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；
●具有2個(gè)8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；
●帶有1個(gè)可預(yù)分頻的具有比較、捕捉和雙8／9／10位PWM功能的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；
●具有可編程的內(nèi)部看門狗定時(shí)器；
●片內(nèi)的模擬比較器可用作A／D轉(zhuǎn)換；
●帶有35個(gè)可編程I／O口。

（4）增強(qiáng)的MCU特點(diǎn)
●可進(jìn)行上電復(fù)位和可編程低壓檢測(cè)；
●具有21級(jí)內(nèi)外部中斷源；
●有空閑、節(jié)電及掉電三種節(jié)電模式。

（5）其它特性
●采用40腳PDIP，44腳PLCC及QFP封裝；
●工作電壓為4．0～5．5V。

2嵌入式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)由于連接有很多常規(guī)模擬儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備而具有很多缺點(diǎn)，如一對(duì)一結(jié)構(gòu)連線龐雜，工程周期長(zhǎng)，安裝費(fèi)用高，維護(hù)不便；模擬信號(hào)傳輸精度低，易受干擾；操作員在控制室既不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，也不能對(duì)其進(jìn)行故障診斷，因而會(huì)導(dǎo)致操作的“失控”。

所示是筆者設(shè)計(jì)的以ATmega161為核心的嵌入式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖。圖中的嵌入式控制器通過(guò)兩級(jí)RS－485總線既可和上位機(jī)通信，又可和傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。操作人員可直接通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)來(lái)完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)，總線似的數(shù)字信號(hào)通信可以克服常規(guī)模擬信號(hào)傳輸?shù)脑S多缺點(diǎn)，并具有接線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3硬件設(shè)計(jì)

可以用兩個(gè)UART通用串行口組成兩級(jí)RS－485網(wǎng)。一般的微處理器并不具備兩個(gè)UART，通常可擴(kuò)展一片串行接口芯片（如8251、8250或者 EXAR公司的ST16C2552等）構(gòu)成兩個(gè)UART，但這樣會(huì)使電路變得復(fù)雜、PCB成本增大且系統(tǒng)的抗干擾能力下降。而ATmega161正好具有兩個(gè)可編程UART，所以無(wú)需擴(kuò)展，這種方法不但可以使電路簡(jiǎn)化并使PCB體積縮小，而且還可使抗干擾能力增強(qiáng)，同時(shí)也具有較高的性價(jià)比。

通信部分的硬件原理圖如圖2所示。圖中，將兩個(gè)UART的RXD、TXD分別接到兩片MAX485上，以使其轉(zhuǎn)換成RS－485電平，再以數(shù)據(jù)總線的形式連接到上位機(jī)和數(shù)字化的儀器儀表以及其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，從而構(gòu)成兩級(jí)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。

MAX485是一種專用的RS－485／RS－422接口芯片，它具有功耗低、體積小、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。每片MAX485最多能帶32個(gè)收發(fā)器，如果要增加每條總線上收發(fā)器的個(gè)數(shù)，可以換成MAX487、MAX1487（可帶128個(gè)收發(fā)器）等芯片。

4軟件設(shè)計(jì)

4．1通信協(xié)議

通信協(xié)議采用ISO的OSI七層模型中的物理層、鏈路層和應(yīng)用層。其中物理層為RS－485，它以雙絞線為傳輸總線，其最大通信距離可達(dá)1200米，最大從機(jī)個(gè)數(shù)為32臺(tái)（使用MAX485），數(shù)據(jù)傳送速率為2400b／s，數(shù)據(jù)傳輸格式為：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，該格式無(wú)奇偶校驗(yàn)位，通信錯(cuò)誤檢測(cè)采用累加和校驗(yàn)。

數(shù)據(jù)鏈路層可參考ISO的“高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議”（HDLC）的有關(guān)規(guī)定，并選用適合于主從網(wǎng)絡(luò)的HDLC的正常響應(yīng)操作模式（NRM），即從站只有在其受到主站的請(qǐng)求時(shí)才能發(fā)送信息。上位機(jī)采用輪詢的方式對(duì)嵌入式控制器進(jìn)行訪問(wèn)，而控制器又對(duì)數(shù)字化傳感器及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以輪詢的方式進(jìn)行訪問(wèn)。其操作過(guò)程如圖3所示。

嵌入式控制器在整個(gè)通信過(guò)程中具有雙重身份，即在與上位機(jī)通信過(guò)程中，上位機(jī)是主站，控制器為從站；而在與傳感器及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信過(guò)程中，控制器是主站，傳感器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為從站。

幀的格式定義為：幀開(kāi)始符、源地址、目的地址、控制字、信息、累加和校驗(yàn)（BCC）以及幀結(jié)束符。