UM3758-108編/解碼器在串行通信中的應(yīng)用

摘要：介紹一種基于編/解碼器的PC機(jī)與多單片機(jī)之間的串行通信方法，并對智能卡的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明。該編/解碼器通信方案，軟好地解決了多機(jī)系統(tǒng)中作為上位機(jī)的工控機(jī)對各下位機(jī)的尋址問題。

    關(guān)鍵詞：編/解碼器 雙口RAM PC 串行通信 UM3758-108

在遙測、遙控領(lǐng)域中，常常使用工業(yè)PC機(jī)與單片機(jī)組成的多機(jī)系統(tǒng)完成測控任務(wù)。PC機(jī)因其豐富的軟硬件資源和友好的人機(jī)界面而被用作上位機(jī)，而單片機(jī)則因其優(yōu)越的性價(jià)比和靈活的功能配置而被用作下位機(jī)。上位 機(jī)和下位機(jī)之間通過串行數(shù)據(jù)總線（如CAN總線、RS485總線等）連接，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一般先由上位機(jī)發(fā)出地址幀對指定的下位機(jī)尋址，在得到確認(rèn)以后向選中的下位機(jī)發(fā)送命令和參數(shù)，或者接收該下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)。但在多機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信遇到的一個(gè)首要問題是如何區(qū)分總線的地址信息和其它的數(shù)據(jù)信息，這也是各類通信協(xié)議和通信規(guī)約中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于目前所使用的通信協(xié)議和通信規(guī)約比較復(fù)雜，因此在一個(gè)簡單的主從式多機(jī)系統(tǒng)中，往往由開發(fā)人員自行定義一些簡單的通信協(xié)議來解決上述問題。本文介紹一種基于編/解碼器的通信方案，較好地解決了多機(jī)系統(tǒng)中作為上位機(jī)的工控機(jī)對各下位機(jī)的尋址問題。

1 編/解碼芯片UM3758-108A

專用編/解碼芯片UM3758-108A屬大規(guī)模CMOS器件，其引腳排列如圖2所示：A0～A9為三態(tài)編碼地址輸入；D0～D7為二態(tài)鎖存式編碼數(shù)據(jù)輸入或輸出；OSC引腳外接振蕩電阻和電容，其值決定發(fā)送頻率；VSS為電源地；T/R為編碼發(fā)送與編碼收選擇引腳，接高電平時(shí)為編碼發(fā)送，接低電平時(shí)為接收編碼；IN為編碼脈沖輸入引腳（接收解碼時(shí)）；TX/RX外接驅(qū)動(dòng)電路，為編碼發(fā)送輸出端，該引腳也可作為爭碼接收正確標(biāo)志顯示（RX輸出低電平）；VDD為電源正端（3～12V）。

單片UM3758-108A芯片是一個(gè)完整的接口電路，集編碼發(fā)送和解碼輸出于一身。當(dāng)T/R端接高電平時(shí)，地址碼A0～A9和數(shù)據(jù)碼D0～D7構(gòu)成一個(gè)18位的數(shù)據(jù)幀，從TX/RX端循環(huán)不斷地串行發(fā)送出去；當(dāng)T/R端接低電平時(shí)，編碼脈沖由IN端輸入，如果接收的地址碼連續(xù)兩次與本地地址碼一致，接收數(shù)據(jù)將按位傳送到輸出鎖存器中，由D0～D7引腳輸出。同時(shí)TX/RX引腳輸出低電平，表示接收正確。

2 UM3758-108A在多機(jī)通信中的具體應(yīng)用

使用編/解碼器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的通信時(shí)，需要在PC機(jī)和單片機(jī)上分別配置編/解碼器，以便完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收。由于上位機(jī)不僅承擔(dān)與下位機(jī)的通信任務(wù)，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并以表格或各種圖形方式顯示出來。如果讓上位機(jī)直接控制編/解碼芯片，通過并行口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，在通信量較大的情況下，勢必會(huì)占用上位機(jī)的大部分工作時(shí)間，導(dǎo)致整機(jī)性能下降。因此在通信量較大的情況下，應(yīng)在上位機(jī)端設(shè)計(jì)一個(gè)智能I/O擴(kuò)展卡，該卡可插到上位機(jī)底板的擴(kuò)展槽上。為了上位機(jī)和擴(kuò)屏卡之間達(dá)到更快的信息交換速度，可以采用共享存儲(chǔ)器方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)的共用存儲(chǔ)器硬件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，應(yīng)用范圍較小。本文采用Maxim公司生產(chǎn)的雙端口存儲(chǔ)器DS1609，大大簡化了共用存儲(chǔ)器硬件電路設(shè)計(jì)。如圖3所示，DS1609為256字節(jié)雙端口RAM，屬大規(guī)模CMOS器件；具有兩個(gè)獨(dú)立的端口，各自擁有一套相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線和控制總線；控制信號只有讀、寫和片選，尤其適合于和Intel公司的CPU相連；硬件電路設(shè)計(jì)非常簡單。該器件允許兩個(gè)端口獨(dú)立地對存儲(chǔ)器單元進(jìn)行存取操作，且由于存儲(chǔ)器內(nèi)部特殊的單元電路設(shè)計(jì)，端口雙方同時(shí)對同一個(gè)單元進(jìn)行讀操作時(shí)無需促裁邏輯；但當(dāng)端以方同時(shí)對同一單元進(jìn)行讀/寫或?qū)?寫操作時(shí)，仍會(huì)發(fā)生競爭。解決讀/寫沖突的一個(gè)簡單辦法是執(zhí)行冗余的讀周期，也可使用“郵箱”傳送狀態(tài)信息方式進(jìn)行軟件仲裁，這種方法需給每個(gè)端口分配一個(gè)字節(jié)，用以寫入狀態(tài)信息，以告知對本端正在進(jìn)行的操作。對于寫/寫沖突，可給雙方分配固定的單元空間，另外，再給每一組數(shù)據(jù)分配校驗(yàn)和字節(jié)，以確保正確的數(shù)據(jù)交換。圖3中DS1609一側(cè)與89C51 CPU相連，另一側(cè)通過三態(tài)緩沖器與擴(kuò)展總線相連。

圖4為PC機(jī)與80C51單片機(jī)使用編/解碼器實(shí)現(xiàn)通信的示意圖。UM3758-108A的A0～A9是地址輸入端，每位可有三種狀態(tài)：高電平、低電平、開路。利用其不同的組合可產(chǎn)生3 10種不同的編碼。二態(tài)時(shí)也有2 10種不同的編碼。智能擴(kuò)展卡需不斷尋址各個(gè)下位機(jī)，所以利用鎖存器將數(shù)據(jù)輸出給編/解碼器的地址端，以此可靈活地尋址各個(gè)下位機(jī)。為了簡化起見，圖4中省去了一個(gè)鎖存器，將A8、A9直接懸空。UM3758-108A片內(nèi)具有數(shù)據(jù)鎖存能力，無需加鎖存器，但需加雙向緩沖器以收發(fā)數(shù)據(jù)。下位機(jī)端的編碼地址用微型開關(guān)SW設(shè)置，也可用鎖存器輸出編碼地址；但這樣做需在下位機(jī)工作前，將編碼地址由面板輸入，和其它需要設(shè)定的參數(shù)一起保存在存儲(chǔ)器（如EEPROM）中，然后再由鎖存器輸出。后者增加了下位機(jī)地址編碼的靈活性，但也加重了編程負(fù)擔(dān)。圖4中，智能I/O擴(kuò)展卡用74LS273作為擴(kuò)展接口，以鎖存要尋址的下位機(jī)地址，用74LS245收發(fā)數(shù)據(jù)。P1.0為發(fā)送數(shù)據(jù)選擇端：P1.0為低電平時(shí)，接口處于接收狀態(tài)；為高電平時(shí)，處于發(fā)送狀態(tài)。因此，初始化時(shí)，上、下位機(jī)的兩個(gè)接口均應(yīng)置成接收狀態(tài)。每個(gè)接口的TX/RX端除了作為發(fā)送端外，還作為該接口接收正確與否的狀態(tài)指示端。如果接收正確，該接口輸出低電平；否則，為高電平。此端口可作為向CPU發(fā)出中斷請求的信號。為此，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉接收中斷，發(fā)送完畢，再打開接收中斷。

該通信為半雙工方式，且只能由上位機(jī)發(fā)起，下位機(jī)不主動(dòng)申請通信。當(dāng)處于輪詢狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)的編碼地址，向下位機(jī)發(fā)送呼叫幀。每臺(tái)下位機(jī)都由編/解碼器接收并判斷，但只有地址相符的下位機(jī)才發(fā)生中斷接收數(shù)據(jù)，并建立和上位機(jī)的聯(lián)系，以此接收上位機(jī)的命令和參數(shù)，或?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)上傳。由于這種通信方式無差錯(cuò)控制，因此應(yīng)根據(jù)傳輸速率，精確定時(shí)，保證每個(gè)發(fā)送周期相同的編碼信號連續(xù)發(fā)送3次，以提高通信的可靠性。

使用編/解碼器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的通信，波特率設(shè)置為2400baud，通信距離可達(dá)5km以上；不僅可用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、LED屏幕顯示系統(tǒng)等有線通信方式，也可采用紅外（IR）、超聲波（US）等用于無線通信方式，以此可突破地理因素的局限。這種通信方式不僅傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性通強(qiáng)、可靠性高、成本低，而且連接簡單、使用方便；通信過程僅僅是讀寫I/O口的簡單操作，編程簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

圖4 

結(jié)語

本文提出了一種適用于PC機(jī)與多單片機(jī)之間的串行通信實(shí)現(xiàn)方法。該方法采用UM3758-108A編/解碼芯片實(shí)現(xiàn)雙工傳輸，采用DS1609芯片實(shí)現(xiàn)智能卡和上位機(jī)的批量數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理功能的分離，使它們各司其職，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，也有效解決了上位機(jī)對下位機(jī)的尋址問題。另外，該方式有很寬的適用范圍，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。