51單片機(jī)串行口擴(kuò)展法

1 引言

在研究采場瓦斯積聚模擬試驗(yàn)臺的過程中，筆者設(shè)計(jì)了主從式多機(jī)采控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主從式多機(jī)控制系統(tǒng)是實(shí)時控制系統(tǒng)中較為普遍的結(jié)構(gòu)形式，它具有可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)選用單串口51單片機(jī)構(gòu)成這種主從式多機(jī)系統(tǒng)時，51單片機(jī)一方面可能要和主機(jī)Computer通信，一方面又要和下位機(jī)通信，這時就需要擴(kuò)展串行通道。本文具體介紹了兩種串行通道的擴(kuò)展方法。

2 串行口的擴(kuò)展方法

常用的標(biāo)準(zhǔn)51 單片機(jī) 內(nèi)部僅含有一個可編程的全雙工串行通信接口，具有UART的全部功能。該接口電路不僅能同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個同步移位寄存器使用。當(dāng)以此類型單片機(jī)構(gòu)成分布式多級應(yīng)用系統(tǒng)時，器件本身的串口資源就不夠用了。筆者在實(shí)際開發(fā)中，查閱了有關(guān)資料，總結(jié)出如下兩種常用而有效的串行通道擴(kuò)展方法。
2.1 基于SP2538的擴(kuò)展方法
SP2538是專用低功耗串行口擴(kuò)展芯片，該芯片主要是為解決當(dāng)前基于UART串口通信的外圍智能模塊及器件較多，而 單片機(jī) 或DSP原有的UART串口又過少的問題而推出的。利用該器件可將現(xiàn)有單片機(jī)或DSP的單串口擴(kuò)展至5個全雙工串口。使用方法簡單、高效。
在應(yīng)用SP2538擴(kuò)展串行通道時，母串口波特率K1=2880*Fosc_in，單位是MHz，且Fosc_in小于20.0MHz, 在SP2538輸入時鐘Fosc_in =20.0MHz時母串口可自適應(yīng)上位機(jī)的56000bps和57600bps兩種標(biāo)準(zhǔn)波特率輸入。子串口波特率K2=480*Fosc_in。
母串口和所有子串口都是TTL電平接口，可直接匹配其他 單片機(jī) 或TTL數(shù)字電路，如需連接PC機(jī)則必須增加電平轉(zhuǎn)換芯片如MAX202 、MAX232 等。SP2538具有內(nèi)置的上電復(fù)位電路和可關(guān)閉的看門狗監(jiān)控電路。上位機(jī)寫命令字0x10可實(shí)現(xiàn)喂狗，寫命令字0x15關(guān)閉看門狗，初次上電后看門狗處于激活狀態(tài)或?qū)懨钭?x20激活看門狗監(jiān)控功能。上位機(jī)可通過芯片復(fù)位指令0x35在任何時候讓芯片進(jìn)行指令復(fù)位，也可通過芯片睡眠指令0x55在任何時候讓芯片進(jìn)入微功耗睡眠模式以降低系統(tǒng)功耗。初次上電后芯片不會自行進(jìn)入睡眠模式，但只能由上位機(jī)通過母串口任意發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)將其喚醒，其他子串口不具備這一功能。
圖(1)是AT89C52 單片機(jī) 與SP2538的電路連接，圖中，AT89C52的全雙工串口與SP2538的母串口5相連，該串口同時也作為命令/數(shù)據(jù)口。SP2538的ADRI0、ADRI1、ADRI2分別與AT89C52的P2.3、P2.4、P2.5口相連，可用于選擇發(fā)送數(shù)據(jù)是選擇相應(yīng)的串口0~4；ADRO0、ADRO1、ADRO2與P2.0、P2.1、P2.2相連，用于判斷接收的數(shù)據(jù)來自哪一個串口。 SP2538的時鐘頻率選為20.0MHZ，此時母串口5的波特率為57600bps，串口0~4的波特率為9600bps。
下面是與上述硬件電路相關(guān)的接口程序，該程序用A51匯編語言編制，程序僅說明了中斷方式下對子串口0(TX0、RX0)的操作，其它子串口類似。
TBLOCK DATA 20H
RBLOCK DATA 30H
LENGTH DATA 14H
…
TXR_REV_SEND: CLR ES
JBC RI,RECEIVE
CLR TI
MOV A,@R0
CLR P2.0 ; 寫數(shù)據(jù)到"SBUF"前必須先置欲發(fā)送子串口的地址
CLR P2.1
CLR P2.2
MOV SBUF,A
DJNZ R2,NEXT
SJMP $
NEXT: INC R0
RETI
RECEIVE: MOV A,P2
AND A,#31H ;判斷是否為子串口0
JNZ ELSE
MOV A,SBUF
MOV @R1,A
INC R1
RETI

圖(1) AT89C52與SP2538的電路連接

2.2 基于Intel8251的串行口擴(kuò)展方法
上面基于SP2538的串口擴(kuò)展方法可以說是一種串行的擴(kuò)展方法，這里基于Intel8251的擴(kuò)展方法則是一種并行的方法。Intel8251是一種通用的同步/異步發(fā)送器(USART)，它的工作方式可以通過編程設(shè)置。能夠以同步或異步串行通信方式工作，能自動完成幀格式。
Intel8251具有獨(dú)立的接收/發(fā)送器。在異步方式下，用于產(chǎn)生8251內(nèi)部時序的時鐘CLK輸入至少應(yīng)為發(fā)送或接收時鐘的4.5倍。接收/發(fā)送(RXC/TXC)時鐘應(yīng)為波特率的1倍、16倍或64倍(由8251的工作方式字設(shè)定)。
圖(2)是用Intel8251擴(kuò)展一個串行通道的電路原理，圖中，11.0592MHZ晶振經(jīng)ALE6分頻后于 、組合，產(chǎn)生1.8432MHZ的時鐘頻率，分別作為8251與8253的時鐘輸入，若設(shè)定8251通信波特率為9600bps，波特率因子為16，則需要 153.6KHZ的接收/發(fā)送時鐘頻率，該頻率可由8253的OUT0產(chǎn)生。
下面的A51程序段說明了如何設(shè)置8253使其產(chǎn)生153.6KHZ的方波，以及如何用8251收/發(fā)數(shù)據(jù)：
;設(shè)置8253的程序段：
MOV A,#36H ; 計(jì)數(shù)器0輸出方波控制字
MOV DPTR,#0FFFFH ; 指向控制字寄存器
MOVX @DPTR,A
MOV DPTR,#0FFFCH ; 指向0計(jì)數(shù)器地址
MOV A,#0DH
MOVX @DPTR,A
MOV A,#0
MOVX DPTR,A
SETB P1.0
;操作8251的程序段：
…
START: MOV DPTR,#7FFFH ;8251控制、命令口地址
MOV A,#5EH ;一個停止位，奇校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，異步*16
MOVX @DPTR,A ;寫入方式字
MOV A,#15H
MOVX @DPTR,A ;命令字，啟動發(fā)送和接收器
…
LOOP: SJMP LOOP ;等待8251中斷
8251_INT: ;現(xiàn)場保護(hù)
MOV DPTR,#7FFFH
MOV A,@DPTR
JB ACC.0,TX_INT
JB ACC.1,RX_INT
INT_EXIT: ;恢復(fù)現(xiàn)場
RETI
;發(fā)送數(shù)據(jù)
TX_INT: MOV DPTR,#7FFEH ;8251數(shù)據(jù)口地址
MOV A,20H
MOVX @DPTR,A
…
AJMP INT_EXIT
;接收數(shù)據(jù)
RX_INT: MOV DPTR,#7FFEH
MOVX A,@DPTR
MOV 30H,A
…
AJMP INI_EXIT


圖(2)用8251擴(kuò)展串行通道的硬件電路原理

3 結(jié)束語
以 單片機(jī) 為核心的多級分布式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，上面討論的兩種串行口的擴(kuò)展方法為此類多串口應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個良好的解決方案。筆者在實(shí)際中采用基于SP2538的擴(kuò)展方法，設(shè)計(jì)了采場瓦斯積聚模擬試驗(yàn)臺的多級分布式采控系統(tǒng)，效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫和平，楊寧，白晶 單片微機(jī)原理與接口技術(shù) 冶金工業(yè)出版社 2003.1
[2] 胡漢才 單片機(jī) 原理及其接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社 1996.7
[3] SP2538數(shù)據(jù)手冊 成都視普科技有限公司 2003.2.12