基于雙C8051F020微控制器的應用系統
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0 引言
由于MCU（微控制器）在可靠性、體積、功耗、性價比等方面都具有明顯的優勢，所以由其組成的上下位機形式的儀器（下位機部分），已經在許多工業控制和數據采集系統中得到廣泛應用。在實際應用中，如果一片MCU芯片的功能不能滿足實際需求時，就需要進行擴展。在本文中，我們使用兩片C8051F020微控制器通過SMBus(System Management Bus)系統管理總線進行擴展，使其滿足了15路模擬量輸入（AD）、6數字量輸入、2路開關量輸出以及1路PWM波輸出的設計要求。
1 系統硬件構成
整個系統的裝置示意圖如圖1所示。我們選擇美國Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（簡稱F020）作為應用系統的CPU。F020是一種混合信號SOC型8位單片機，它有一個8通道的、轉換速率為100Kbps的12位ADC，以及一個8通道的、轉換速率為500Kbps的8位ADC；2個12位DAC；64KB FlashRom,4KB RAM；有22個中斷源和5個定時器/計數器；內部有兩個增強型全雙工UART、SPI總線和SMBus總線[1]。
CP2101是美國Silicon公司推出的USB-UART橋接電路。該電路的集成度高，內置USB2.0全速功能控制器、USB收發器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線（UART），支持調制解調器全功能信號，全部功能集成在一個5mm ′5mm IC中。
圖2典型的SMBus配置
在PC機上安裝CP2101的驅動程序以后，CP2101就作為PC機的一個虛擬 COM 口 (VCP)，對它的操作與對PC機的COM口操作完全一樣，因此無需修改現有的 COM 口應用就可以實現通過 USB 向基于CP2101 的器件傳輸數據，保證了對已有的串口通訊程序的兼容。其數據傳輸的波特率范圍為300b/s～921.6kb/s[2]。
2 SMBus總線
SMBus總線標準最早由Intel公司于1995年發布，它以Philips公司的I2C總線為基礎，面向于“不同系統組成芯片與系統其他部分間的通訊”[3]。SMBus接口的工作電壓可以在（3.0～5.0）V之間,總線上不同器件的工作電壓可以不同。SCL串行時鐘線和SDA串行數據線是雙向的，因此兩條線上都需要上拉電阻或類似電路將它們連到電源電壓，在沒有數據傳輸時，兩條線都處于高電平。典型的SMBus配置如圖2所示。SMBus采用多種線路條件作為器件的握手信號。在一次數據傳輸過程中，SDA只能在SCL為低電平時改變。在SCL為高電平時，SDA發生改變則開始和停止信號。
圖3一次典型的SMBus數據傳輸過程
SMBus協議有兩種可能的數據傳輸類型：從主發送器到所尋址的從接收器（寫）和從被尋址的從發送器到主接收器（讀）。這兩種數據傳輸都由主器件啟動，主器件還提供串行時鐘。一次典型的SMBus數據傳輸包括一個起始條件（START）、一個地址字節（位7-1：7 位從地址；位0：R/W 方向位）、一個或多個字節的數據和一個停止條件（STOP）。每個接收的字節（由一個主器件或從器件）都必須用SCL高電平期間的SDA低電平來確認（ACK）。如果接收器件不確認，則發送器件將讀到一個“非確認”（NACK），這用SCL 高電平期間的SDA高電平表示。
所有的數據傳輸都由主器件啟動，可以尋址一個或多個目標從器件。主器件產生一個起始條件，然后發送地址和方向位。在數據傳輸結束時，主器件產生一個停止條件，結束數據交換并釋放總線。圖3示出了一次典型的SMBus數據傳輸過程[1]。
3 系統通信的設計
系統的任務主要對模擬量進行AD轉換，對數字量進行計數，并將這些數據最終要傳給上位微機進行顯示與數據處理，上位機根據其處理結果控制PWM波的頻率及占空比。
3.1 上下位機的數據通信[4-5]
由于我們使用了USB-UART橋接電路CP2101，因而上下位機的程序仍是按照UART形式編寫。為保證雙方傳輸的數據準確可靠，程序中使用軟件握手：上位機首先給下位機傳波特率參數,其值為600H，300H,180H,C0H,60H,0CH之一，下位機對收到波特率參數進行驗證，如果為其中之一，則發送字節AAH給上位機，并更新下位機波特率，反之認為是噪聲干擾，丟棄此數據，再重新等待接收。上位機收到AAH字節后，就更新新的波特率，然后向下位機發送控制命令子，如采樣通道選擇，單端方式還是差分方式，開關量的狀態，采樣周期和采樣時間等，以及是否要求從下位機工作，如果要求從下位機工作，還要正確建立主從下位機的通信，之后再向上位機發應答字節55H。協議還采用超時重發功能，可自動連接5次。
3.2 主從下位機的SMBus通信[6]
為使SMBus通信程序便于編寫，我們規定第1片為主片，第二片為從片。SMBus的工作由下列寄存器中的內容決定：狀態寄存器(SMB0STA)、控制寄存器 (SMB0CN)、地址寄存器(SMB0ADR)和數據寄存器(SMB0DAT)。要通過SMBus通訊協議實現兩片芯片之間的數據通信，關鍵在于如何利用單片機中的狀態寄存器中的狀態碼，通過軟件編程來實現對狀態碼的查詢。每一個狀態碼都對應一個當前的通信狀態和將要執行的操作，因此，根據所得到的狀態碼來確定當前的通信狀態，以實現相互間的通信。
在編程時，SMBus通信協議是利用中斷查詢狀態碼的方式實現的，為使雙方的通信可靠，也規定了軟件握手：初始化后，從片等待主片的命令字節33H，從片收到33H后給主片發CCH應答字節，主片收到CCH字節后，根據上位機要求給從片發送相應的命令字節（采樣周期，采樣時間，采樣通道，開關量狀態等），然后發送BBH字節個主片，并啟動相應AD轉換，主片收到BB后才進行AD轉換，保證主片與從片對模擬量的同步采樣。
4 系統軟件設計
考慮到系統靈活性，我們編程使得通道選擇、采樣時間、采樣周期、數字量輸入、開關量的控制、PWM波的頻率及占空比、從下位機的工作情況等由用戶在上位機上指定，然后以命令字傳給下位機，具體為：用4個字節分別表示兩片MCU的AD通道是否被選中，每個字節位上為1表示該通道被選中，否則不選該通道。用3個字節存放采樣周期，其最小單位為10微妙，5個字節存放采樣時間，一個字節用于開關量，2個字節用于存放PWM波的頻率，2個字節用于存放占空比值，1個字節用于表示數字量輸入是否被選中。對于輸入的數字量，輸入是渦輪流量計來的脈沖，輸入脈沖數的確定是采樣引腳電平變化的方法來確定的。為保證小流量時的精度，按4秒鐘所計脈沖數，通過其轉換關系來確定流量。其中引腳電平采樣的時間設為100微妙。
為減輕下位機的任務，其采集的原始數據直接送給上位機進行處理，保證下位機有高的采樣速率和高的傳輸速率。圖4給出了下位機主片的工作流程圖。
5 結束語
我們使用了自身帶有AD轉換電路及SMBus通信總線接口C8051F020微控制器，實現了兩片MCU之間數據的高速可靠的數據通信。而且還使用了USB-UART橋接電路，保證了下位機與上位機有高的數據傳輸率。并且，在上位機軟件設計時考慮到應用系統的通用性，可根據實際需求選用不同的傳感器，并在上位機上進行相應的選擇，就能得到所需的測量數據及曲線，使得該應用系統有較強的通用性。
參考文獻：
[1] 潘琢金，施國君. C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用. 北京：北京航空航天大學出版社，2002.
[2] CP2101數據手冊. http://www.xhl.com.cn
/xhl/downfile/CP210x.pdf.
[3]謝瑞和.串行技術大全.北京：清華大學出版社,2003.4 .
[4] 陳建平,姚凱學,等. 通用動態測試系統的設計與實現. 貴州大學學報(自然科學版), 2004,
21(1):79-82.
[5] 范逸之 陳立元. Visual Basic 與RS-232串行通信控制[M]，北京：中國青年出版社，2002.
[6] 王力，王開和，等. 基于C8051F的SMBus實現多點測溫系統. 天津科技大學學報,2004，19（3）：
39-41.
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