基于多單片機的串口擴展設計論文

2021-04-20 論文

　　1 前言

　　筆者在用單片機開發一款稱重儀表時，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。而且對串口要求穩定性高，大部分串口都要求實時雙工通信。根據實際情況和產品串口需求，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碼管顯示就用了這種方案，顯示的時候只發不收，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量不足，還需要多塊串口擴展芯片級聯，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計。在一定成本要求下，結合目前單片機產品自身的優勢，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，可以很方便的實現主從單片機之間的級聯和通信，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，達到“雙核”效果。

　　3 基于多單片機的串口擴展設計

　　3.1 串口擴展系統框圖

　　整個系統由兩塊單片機構成主從結構，主機完成產品的大部分功能，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，只是先要經過SPI 傳輸。當需要向從機串口發數據時，先要通過主機的`SPI 通信送給從機，再通過從機串口發給外圍模塊;當需要接收從機串口數據時，先從機接收到串口數據，從機再利用SPI 傳輸給主機。在進行軟件開發時，只要定義好主機和從機的SPI 通信協議，即可完成可靠的串口數據收發。

　　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，即主機SPI 初始化，SPI 主從機之間的數據交換，向從機發送數據，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 數據交換

　　SPDAT = dat;

　　while (!(SPSTAT & SPI_SPIF));

　　SPSTAT = 0xc0;

　　return SPDAT;