基于雙C8051F020微控制器的應(yīng)用系統(tǒng)

1、基于雙C8051F020微控制器的應(yīng)用系統(tǒng)張厚武，姚凱學(xué)（貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 ）摘要：本文使用2片C8051F020微控制器，通過其自身的SMBus總線進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了多路模擬量和數(shù)字量的輸入與輸出的應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)使用了USB-UART橋接電路，實(shí)現(xiàn)了虛擬串口的USB傳輸。文中首先簡要介紹了C8051F020 MCU與CP2101橋接電路的特點(diǎn)，然后詳細(xì)闡述了SMBus的總線協(xié)議，并說明了上下位機(jī)的通信協(xié)議以及兩片下位機(jī)的基于SMBus的數(shù)據(jù)通信，最后給出了主下位機(jī)的程序流程圖。關(guān)鍵詞：應(yīng)用系統(tǒng)；C8051F020;SMBus;串行通信；USB中文圖書分類號(hào)：TP21

2、6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B A Application System Based On Double C8051F020 MCUZHANG Hou-wu，YAO Kai-xue（College of Computer Science & Technology, Guizhou University，Guiyang ,China）Abstract: The paper implemented a application system based on double C8051F020 MCU whose data communication were complete by SMBus, includi

3、ng of multiple channel analog input and digital input/output. Using CP2101 USB-UART electric circuit, the application system realized USB transfer of virtual serial port. The paper first introduced C8051F020 and CP2101s characters in brief, then detailed protocol of SMBus, and explained communicatio

4、n protocol of master/slave computer and data communication of two C8051F020 based on SMBus, finally presented program flow chart for first slave computer.Key Words: Application System; C8051F020; SMBus; Serial Communication; USB0 引言由于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，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)

5、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Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（簡稱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

6、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、晶開關(guān)量輸出模擬量輸入C8051F020主下位機(jī)（1）C8051F020從下位機(jī)（2）模擬量輸入數(shù)字量輸入PC機(jī)（上位機(jī)）PWM圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖SDASLAVDDCP2101USB口UARTSDASCL主器件從器件1從器件2圖2 典型的SMBus配置VDD

7、=5VVDD=3VVDD=5VVDD=3V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。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/s921.6kb/s2。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

8、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（3.05.0）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)。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

9、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

10、的SMBus數(shù)據(jù)傳輸過程1。SCLSDASTARTSLA6SLA5-0R/WD7D6-0ACK從地址R/W數(shù)據(jù)字節(jié)NACKSTOP圖3 一次典型的SMBus數(shù)據(jù)傳輸過程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,

11、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

12、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

13、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

14、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。軟件復(fù)位收到波特率參數(shù)？YN以查詢方式對(duì)所選擇通道進(jìn)行采樣采樣周期到?把采集的數(shù)據(jù)送NYYN采集數(shù)據(jù)傳送完?把采集的數(shù)據(jù)送Y開始、初始化接收命令參數(shù)從片工作？主從片通信成功？軟件復(fù)位NYY設(shè)定采樣周期、采樣時(shí)間、采樣

15、通道、開關(guān)量、PWM等參數(shù)、設(shè)置從片工作參數(shù)有數(shù)據(jù)要傳？上位機(jī)（1個(gè)字節(jié)）以SMBus接受從片采樣數(shù)據(jù)采樣時(shí)間到?上位機(jī)（1個(gè)字節(jié)）N圖3 主下位機(jī)工作流程圖5 結(jié)束語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. /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)測溫系統(tǒng). 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004，19（3）：39-4