由于MCU（微控制器）在可靠性、體積、功耗、性價(jià)比等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以由其組成的上下位機(jī)形式的儀器（下位機(jī)部分），已經(jīng)在許多工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，如果一片MCU芯片的功能不能滿足實(shí)際需求時(shí)，就需要進(jìn)行擴(kuò)展。在本文中，我們使用兩片C8051F020微控制器通過SMBus(System Management Bus)系統(tǒng)管理總線進(jìn)行擴(kuò)展，使其滿足了15路模擬量輸入（AD）、6數(shù)字量輸入、2路開關(guān)量輸出以及1路PWM波輸出的設(shè)計(jì)要求。
1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
整個(gè)系統(tǒng)的裝置示意圖如圖1所示。我們選擇美國(guó)Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（簡(jiǎn)稱F020）作為應(yīng)用系統(tǒng)的CPU。F020是一種混合信號(hào)SOC型8位單片機(jī)，它有一個(gè)8通道的、轉(zhuǎn)換速率為100Kbps的12位ADC，以及一個(gè)8通道的、轉(zhuǎn)換速率為500Kbps的8位ADC；2個(gè)12位DAC；64KB FlashRom,4KB RAM；有22個(gè)中斷源和5個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；內(nèi)部有兩個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART、SPI總線和SMBus總線[1]。
CP2101是美國(guó)Silicon公司推出的USB-UART橋接電路。該電路的集成度高，內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，全部功能集成在一個(gè)5mm ´5mm IC中。
圖1 典型的SMBus配置
在PC機(jī)上安裝CP2101的驅(qū)動(dòng)程序以后，CP2101就作為PC機(jī)的一個(gè)虛擬 COM 口 (VCP)，對(duì)它的操作與對(duì)PC機(jī)的COM口操作完全一樣，因此無(wú)需修改現(xiàn)有的 COM 口應(yīng)用就可以實(shí)現(xiàn)通過 USB 向基于CP2101 的器件傳輸數(shù)據(jù)，保證了對(duì)已有的串口通訊程序的兼容。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈史秶鸀?00b/s～921.6kb/s[2]。
2 SMBus總線
SMBus總線標(biāo)準(zhǔn)最早由Intel公司于1995年發(fā)布，它以Philips公司的I2C總線為基礎(chǔ)，面向于“不同系統(tǒng)組成芯片與系統(tǒng)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(shí)鐘線和SDA串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(hào)。在一次數(shù)據(jù)傳輸過程中，SDA只能在SCL為低電平時(shí)改變。在SCL為高電平時(shí)，SDA發(fā)生改變則開始和停止信號(hào)。
圖3 一次典型的SMBus數(shù)據(jù)傳輸過程
SMBus協(xié)議有兩種可能的數(shù)據(jù)傳輸類型：從主發(fā)送器到所尋址的從接收器（寫）和從被尋址的從發(fā)送器到主接收器（讀）。這兩種數(shù)據(jù)傳輸都由主器件啟動(dòng)，主器件還提供串行時(shí)鐘。一次典型的SMBus數(shù)據(jù)傳輸包括一個(gè)起始條件（START）、一個(gè)地址字節(jié)（位7-1：7 位從地址；位0：R/W 方向位）、一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個(gè)停止條件（STOP）。每個(gè)接收的字節(jié)（由一個(gè)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(rèn)（ACK）。如果接收器件不確認(rèn)，則發(fā)送器件將讀到一個(gè)“非確認(rèn)”（NACK），這用SCL 高電平期間的SDA高電平表示。
所有的數(shù)據(jù)傳輸都由主器件啟動(dòng)，可以尋址一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)從器件。主器件產(chǎn)生一個(gè)起始條件，然后發(fā)送地址和方向位。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，主器件產(chǎn)生一個(gè)停止條件，結(jié)束數(shù)據(jù)交換并釋放總線。圖3示出了一次典型的SMBus數(shù)據(jù)傳輸過程[1]。
3 系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的任務(wù)主要對(duì)模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)字量進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)最終要傳給上位微機(jī)進(jìn)行顯示與數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)根據(jù)其處理結(jié)果控制PWM波的頻率及占空比。
3.1 上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信[4-5]
由于我們使用了USB-UART橋接電路CP2101，因而上下位機(jī)的程序仍是按照UART形式編寫。為保證雙方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，程序中使用軟件握手：上位機(jī)首先給下位機(jī)傳波特率參數(shù),其值為600H，300H,180H,C0H,60H,0CH之一，下位機(jī)對(duì)收到波特率參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，如果為其中之一，則發(fā)送字節(jié)AAH給上位機(jī)，并更新下位機(jī)波特率，反之認(rèn)為是噪聲干擾，丟棄此數(shù)據(jù)，再重新等待接收。上位機(jī)收到AAH字節(jié)后，就更新新的波特率，然后向下位機(jī)發(fā)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(guān)量的狀態(tài)，采樣周期和采樣時(shí)間等，以及是否要求從下位機(jī)工作，如果要求從下位機(jī)工作，還要正確建立主從下位機(jī)的通信，之后再向上位機(jī)發(fā)應(yīng)答字節(jié)55H。協(xié)議還采用超時(shí)重發(fā)功能，可自動(dòng)連接5次。
3.2 主從下位機(jī)的SMBus通信[6]
為使SMBus通信程序便于編寫，我們規(guī)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(nèi)容決定：狀態(tài)寄存器(SMB0STA)、控制寄存器 (SMB0CN)、地址寄存器(SMB0ADR)和數(shù)據(jù)寄存器(SMB0DAT)。要通過SMBus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩片芯片之間的數(shù)據(jù)通信，關(guān)鍵在于如何利用單片機(jī)中的狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)碼，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)碼的查詢。每一個(gè)狀態(tài)碼都對(duì)應(yīng)一個(gè)當(dāng)前的通信狀態(tài)和將要執(zhí)行的操作，因此，根據(jù)所得到的狀態(tài)碼來確定當(dāng)前的通信狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)相互間的通信。
在編程時(shí)，SMBus通信協(xié)議是利用中斷查詢狀態(tài)碼的方式實(shí)現(xiàn)的，為使雙方的通信可靠，也規(guī)定了軟件握手：初始化后，從片等待主片的命令字節(jié)33H，從片收到33H后給主片發(fā)CCH應(yīng)答字節(jié)，主片收到CCH字節(jié)后，根據(jù)上位機(jī)要求給從片發(fā)送相應(yīng)的命令字節(jié)（采樣周期，采樣時(shí)間，采樣通道，開關(guān)量狀態(tài)等），然后發(fā)送BBH字節(jié)個(gè)主片，并啟動(dòng)相應(yīng)AD轉(zhuǎn)換，主片收到BB后才進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，保證主片與從片對(duì)模擬量的同步采樣。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
考慮到系統(tǒng)靈活性，我們編程使得通道選擇、采樣時(shí)間、采樣周期、數(shù)字量輸入、開關(guān)量的控制、PWM波的頻率及占空比、從下位機(jī)的工作情況等由用戶在上位機(jī)上指定，然后以命令字傳給下位機(jī)，具體為：用4個(gè)字節(jié)分別表示兩片MCU的AD通道是否被選中，每個(gè)字節(jié)位上為1表示該通道被選中，否則不選該通道。用3個(gè)字節(jié)存放采樣周期，其最小單位為10微妙，5個(gè)字節(jié)存放采樣時(shí)間，一個(gè)字節(jié)用于開關(guān)量，2個(gè)字節(jié)用于存放PWM波的頻率，2個(gè)字節(jié)用于存放占空比值，1個(gè)字節(jié)用于表示數(shù)字量輸入是否被選中。對(duì)于輸入的數(shù)字量，輸入是渦輪流量計(jì)來的脈沖，輸入脈沖數(shù)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(shí)的精度，按4秒鐘所計(jì)脈沖數(shù)，通過其轉(zhuǎn)換關(guān)系來確定流量。其中引腳電平采樣的時(shí)間設(shè)為100微妙。
為減輕下位機(jī)的任務(wù)，其采集的原始數(shù)據(jù)直接送給上位機(jī)進(jìn)行處理，保證下位機(jī)有高的采樣速率和高的傳輸速率。圖4給出了下位機(jī)主片的工作流程圖。
5 結(jié)束語(yǔ)
我們使用了自身帶有AD轉(zhuǎn)換電路及SMBus通信總線接口C8051F020微控制器，實(shí)現(xiàn)了兩片MCU之間數(shù)據(jù)的高速可靠的數(shù)據(jù)通信。而且還使用了USB-UART橋接電路，保證了下位機(jī)與上位機(jī)有高的數(shù)據(jù)傳輸率。并且，在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮到應(yīng)用系統(tǒng)的通用性，可根據(jù)實(shí)際需求選用不同的傳感器，并在上位機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的選擇，就能得到所需的測(cè)量數(shù)據(jù)及曲線，使得該應(yīng)用系統(tǒng)有較強(qiáng)的通用性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 潘琢金，施國(guó)君. C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.
[2] CP2101數(shù)據(jù)手冊(cè). http://www.xhl.com.cn
/xhl/downfile/CP210x.pdf.
[3]謝瑞和.串行技術(shù)大全.北京：清華大學(xué)出版社,2003.4 .
[4] 陳建平,姚凱學(xué),等. 通用動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(guó)青年出版社，2002.
[6] 王力，王開和，等. 基于C8051F的SMBus實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng). 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004，19（3）：
66821730(技術(shù)支持)
