基于多單片機的串口擴展設(shè)計論文
1 前言
筆者在用單片機開發(fā)一款稱重儀表時，功能較多，對串口的需求很高。需要的串口數(shù)量多，至少要五個串口，包括稱重傳感器通信串口，電腦上位機通信串口，GIM900A 通信串口，大屏幕數(shù)碼管顯示的通信串口，打印模塊的通信串口等。而且對串口要求穩(wěn)定性高，大部分串口都要求實時雙工通信。根據(jù)實際情況和產(chǎn)品串口需求，采用不用的方法進行串口擴展，主要用到了模擬串口和多單片機實現(xiàn)串口擴展。
2 串口擴展的一般方法
(1)模擬串口。模擬串口利用其他單片機引腳模擬串口收發(fā)時序進行串口擴展。這種串口擴展，缺點比較明顯，通信速率慢，可靠性不高，占用CPU 資源較多。高速雙工通信時一般不用此方案進行串口擴展，低速情況下可以考慮。筆者的項目中大屏幕數(shù)碼管顯示就用了這種方案，顯示的時候只發(fā)不收，單向通信，波特率要求低，最高不過9600bps。
(2)利用專門的串口擴展芯片處理。串口擴展芯片進行串口擴展，通信穩(wěn)定性高，能達到一般的串口要求。市場上的串口擴展芯片，性能不同，價格也不一樣，但普遍成本較高，少則二三十元，多則七八十元，不利于產(chǎn)品的成本控制。串口需求較多時，一塊串口擴展芯片上串口數(shù)量不足，還需要多塊串口擴展芯片級聯(lián)，更增加了成本。
(3)利用多串口單片機。目前市場上有多串口的單片機，很多低成本單片機都自帶兩個串口，比如stc12 多串口系列。用三串口及其以上的單片機成本更貴。
(4)基于多單片機的串口擴展設(shè)計。在一定成本要求下，結(jié)合目前單片機產(chǎn)品自身的優(yōu)勢，利用多單片機進行串口擴展，也是一種串口擴展的方案。一般c51 系列單片機自帶雙串口的只要幾元錢，完全可以把單片機用來做串口擴展，而且有的單片機自帶spi 通信接口，可以很方便的實現(xiàn)主從單片機之間的級聯(lián)和通信，同時雙單片機工作時，可以利用從單片機處理一定的程序，減輕主單片機的負擔(dān)，達到“雙核”效果。
3 基于多單片機的串口擴展設(shè)計
3.1 串口擴展系統(tǒng)框圖
整個系統(tǒng)由兩塊單片機構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，主機完成產(chǎn)品的大部分功能，從機只是進行了串口擴展，擴展出了兩個雙工硬件串口，如果有需要，也可以分擔(dān)部分主機的其他功能。兩者之間通過SPI 硬件接口通信，該硬件SPI 總線是一種全雙工、高速、同步的通信總線，支持主模式和從模式兩種操作模式，主模式中支持高達3Mbps 的速率，完全可以完成主機和從機之間的可靠通信。主機和從機的串口通信，和一塊單片機使用時的用法一樣，只是先要經(jīng)過SPI 傳輸。當(dāng)需要向從機串口發(fā)數(shù)據(jù)時，先要通過主機的SPI 通信送給從機，再通過從機串口發(fā)給外圍模塊;當(dāng)需要接收從機串口數(shù)據(jù)時，先從機接收到串口數(shù)據(jù)，從機再利用SPI 傳輸給主機。在進行軟件開發(fā)時，只要定義好主機和從機的SPI 通信協(xié)議，即可完成可靠的串口數(shù)據(jù)收發(fā)。
3.2 主機和從機之間的SPI 通信
主機和從機串口之間需要SPI 通信做橋梁，因此主從機之間的`SPI 通信顯得極其重要，必須要求高速、可靠、實時，一次SPI 采用中斷完成。主機部分需要用到常用的四個函數(shù)，即主機SPI 初始化，SPI 主從機之間的數(shù)據(jù)交換，向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，主機SPI 中斷接收等。
1) 主機SPI 初始化：
SPDAT=0;
SPCTL=0xfd;
SPSTAT=0xc0;
IE2=IE2 | 0x2;
2) 主機SPI 數(shù)據(jù)交換
SPDAT = dat;
while (!(SPSTAT & SPI_SPIF));
SPSTAT = 0xc0;
return SPDAT;
3) 向從機發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)
SPCTL = 0xfd;
IE2=IE2 & 0x01;
SPISS=0;
4)SPI 接收中斷函數(shù)
uchar ucRecvSpi;
SPDAT=SPDAT;
SPSTAT = 0xc0;
ucRecvSpi=SPDAT;
??//SPI 接收到的數(shù)據(jù)處理
?循環(huán)SPI 數(shù)據(jù)交換
發(fā)送字符串
SPISS=1;
SPCTL = 0xec;
IE2=IE2 | 0x3;
從機部分也需要用到主機一樣的四個函數(shù)，即從機SPI 初始化，SPI 主從機之間的數(shù)據(jù)交換，向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，從機SPI中斷接收等。程序函數(shù)與主機大部分相同，只有細微區(qū)別。在從機SPI 初始化時，SPCTL 控制寄存器初值為0xec。
3.3 擴展的串口處理
從機自帶的兩個雙工串口即是擴展出來的串口，要實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，需要用到基本的3 個函數(shù)，即從機串口初始化，從機串口向外圍模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，從機中斷接收數(shù)據(jù)。串口4 和串口5 函數(shù)類似，下面只列舉串口4 的初始化函數(shù)部分。
1) 串口1 初始化
TMOD = 0x20;
SCON = 0x5a;
TH1 =TL1= -3;
TR1 = 1;
ES = 1; EA = 1;
2) 串口接收中斷
RI = 0 ;
Buf[i]=SBUF;// 接收串口數(shù)據(jù)存入數(shù)組
if (SBUF==0x0a && Buf[i-2]==0x0d)
接收到結(jié)束符，則向主機發(fā)送串口數(shù)據(jù)。
4 結(jié)語
本文中的串口擴展方法，實用性強，成本較低，能較好的實現(xiàn)串口擴展，同時利用多出的單片機，可以為主CPU 分擔(dān)一定的任務(wù)，提供一定的硬件資源。
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