MCS51系列單片機(jī)雙機(jī)并行互連的實(shí)現(xiàn)方法

摘要：介紹了在同一系統(tǒng)內(nèi)，MCS51系列兩單片機(jī)之間采用單向并行通信接口、主從雙向并行通信接口、無主從雙向并行通信操作實(shí)現(xiàn)雙機(jī)互連的方法，分析了在每一種通信接口工作方式下數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)。在三種并行通信接口為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)充硬件資源的設(shè)計(jì)提供了新的途徑。
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 并行通信 接口 數(shù)據(jù)傳送

由于MCS51系列單片機(jī)具有性能穩(wěn)定、工作可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此其應(yīng)用相當(dāng)廣泛。一個(gè)MCS51系列的單片機(jī)（如Atmel89cxx）內(nèi)部包含有RAM、FLASH ROM、兩個(gè)或者三個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)通用異步串行通信控制器（UART）等多種資源。但即便如此，在一些相對(duì)復(fù)雜的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，僅僅一個(gè)單片機(jī)資源還是不夠的，因此而常常需要擴(kuò)充I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通信接口、RAM、ROM等。采用通用的標(biāo)準(zhǔn)器件進(jìn)行擴(kuò)充是通常的做法，但將單片機(jī)本身作為一個(gè)通用的擴(kuò)充器件來使用，也不失為一個(gè)好的方法。在這種情況下，一個(gè)系統(tǒng)中就使用了兩個(gè)或兩個(gè)以上的單片機(jī)，而單片機(jī)之間就要通過互連來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MCS51系列的單片機(jī)（以下簡(jiǎn)稱單片機(jī)）都帶有串口，利用串口進(jìn)行互連通信極為方便，其各種連接方式在許多書籍和資料上都有介紹，在此不再重述。但如果系統(tǒng)要求擴(kuò)充的資源是對(duì)外連接的串口，或?qū)ο嗷ブg的數(shù)據(jù)傳送有一定的速度要求，則單片機(jī)的串口就不能用作系統(tǒng)內(nèi)兩單片機(jī)的通信接口了。所幸的是，單片機(jī)的并行端口也能相互連接來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)單片機(jī)端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這些端口的端口線可以直接相連，從而使兩單片機(jī)之間并行通信接口的實(shí)現(xiàn)不用另外的硬件電路設(shè)備?；谶@種情況，設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)不同的使用要求，來采用不同的并行連接方法。下面介紹在兩個(gè)單片機(jī)之間進(jìn)行三種并行通信接口的實(shí)現(xiàn)方法。

1 單向并行通信接口的實(shí)現(xiàn)

在應(yīng)用中，如果只需一個(gè)單片機(jī)向另一個(gè)單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，則可以采用單向并行通信接口方式，這種方式較為簡(jiǎn)單。圖1所示為單向并行通信接口的組成方法。圖中，單片機(jī)A為數(shù)據(jù)發(fā)送方，單片機(jī)B為數(shù)據(jù)接收方，8位端口可以是P0～3的任何一個(gè)。數(shù)據(jù)傳送的流程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)A將數(shù)據(jù)送到端口后，通過STB信號(hào)中斷單片機(jī)B，單片機(jī)B進(jìn)入中斷并從端口讀取數(shù)據(jù)，讀完后，利用BUSY信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答，單片機(jī)A在檢查到端口線CHK上的應(yīng)答信號(hào)后，就可以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)了。以上是采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的具體方法。當(dāng)然，單片機(jī)B也可以采用查詢方式接收數(shù)據(jù)。利用單向并行通信接口方法的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用單片機(jī)的資源來擴(kuò)充整個(gè)系統(tǒng)的串行通信接口、并行接口、定時(shí)器等部件。



2 主從并行通信接口的實(shí)現(xiàn)

主從并行通信接口的特點(diǎn)是兩單片機(jī)之間能夠通過并行通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)方，但這種方法必須有一個(gè)單片機(jī)處在主機(jī)狀態(tài)，另一個(gè)單片機(jī)處在從機(jī)狀態(tài)。圖2為主從并行通信接口原理圖。單片機(jī)A是主機(jī)，單片機(jī)B是從機(jī)，該接口使用了一個(gè)8位端口（如P0或P1）和4根控制信號(hào)線。

在主從工作方式下，該接口的工作方式有主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收和主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送等兩種情況。

2.1 主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收方式的主機(jī)工作流程

主發(fā)從收方式的工作流程如下：

（1）主機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)傳送方法控制位DIR為0，以表示主機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送到從機(jī)；

（2）主機(jī)在STB端口產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，以使從機(jī)進(jìn)入中斷，并準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；

（3）主機(jī)將數(shù)據(jù)送8位數(shù)據(jù)端口，再設(shè)定ACK信號(hào)表示數(shù)據(jù)有效；

（4）主機(jī)檢查CHK端口，等待從機(jī)從8位端口取走數(shù)據(jù)；

（5）數(shù)據(jù)發(fā)送完成返回。

2.2 主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送時(shí)的主機(jī)工作流程

主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送方式時(shí)的工作流程如下：

（1）主機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)傳送方向控制位DIR為1，以表示主機(jī)將從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)；

（2）主機(jī)在STB端口產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，以使從機(jī)進(jìn)入中斷，并準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)；

（3）主機(jī)查詢CHK端口，等待從機(jī)將數(shù)據(jù)送到8位端口上；

（4）主機(jī)從8位端口上讀取數(shù)據(jù)，再設(shè)定ACK信號(hào)以表示數(shù)據(jù)已被讀取；

（5）數(shù)據(jù)接收完成返回。

2.3 從機(jī)工作流程



在主從并行通信接口工作方式下，無論從機(jī)是接收數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)，都是在中斷（也可以是查詢方式）方式下進(jìn)行的，從機(jī)的工作流程如下：

（1）進(jìn)入中斷服務(wù)程序；

（2）檢查數(shù)據(jù)傳送的方向；

（3）如果DIR為0，則等待CHK信號(hào)有效，再?gòu)?位端讀取數(shù)據(jù)，讀完后設(shè)定ACK信號(hào)有效；

（4）如果DIR為1，從機(jī)將數(shù)據(jù)送到8位端上，再設(shè)定ACK為有效，并等待主機(jī)取走數(shù)據(jù)（即CHK信號(hào)有效）；

（5）退出中斷服務(wù)程序。

3 無主從雙向并行通信接口的實(shí)現(xiàn)

無主從雙向并行通信接口的特點(diǎn)是兩個(gè)單片機(jī)處在平等的地位，兩個(gè)單片機(jī)均可隨時(shí)提出申請(qǐng)，向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)然也可通過簡(jiǎn)單的接口協(xié)議從對(duì)方讀取數(shù)據(jù)。這種情況下，就有可能出現(xiàn)兩個(gè)單片機(jī)同時(shí)提出使用8位端口的申請(qǐng)而發(fā)生沖突，從而影響雙方數(shù)據(jù)的傳送。要解決這個(gè)問題，就要求每一方必須在數(shù)據(jù)傳送之前進(jìn)行檢查，以判斷8位端口是否被對(duì)方所使用，從而避免沖突的發(fā)生。圖3是無從雙向并行通信接口的原理圖。該接口中采用了5根控制信號(hào)線，其中CHK/ACK控制信號(hào)線，其中CHK/ACK控制信號(hào)線的功能可以復(fù)用。8位端口可以是P0、P1或其它8位I/O口。

在無主從雙向并行通信接口中，由于單片機(jī)A與單片機(jī)B沒有主從關(guān)系而處在平等位置，所以單片機(jī)B與單片機(jī)A的數(shù)據(jù)接收發(fā)送流程完全相同。這里只說明單片機(jī)A的數(shù)據(jù)接收發(fā)送流程。

3.1 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

下面給出單片機(jī)A的數(shù)據(jù)發(fā)送流程：

（1）檢查CHKREQ，判斷單片機(jī)B是否提出了數(shù)據(jù)傳送申請(qǐng)；

（2）如果單片機(jī)B提出了申請(qǐng)，則轉(zhuǎn)a繼續(xù)等待；否則，單片機(jī)A提出申請(qǐng)，將REQ置為有效；

（3）再次檢查CHKREQ，判斷單片機(jī)B是否同時(shí)提出了申請(qǐng)；

（4）如果單片機(jī)B提出了申請(qǐng)，則發(fā)生沖突；清除REQ并延時(shí)；然后執(zhí)行（1）；

（5）將數(shù)據(jù)送8位端口，設(shè)定STB有效；

（6）檢查CHK，等待單片機(jī)B將數(shù)據(jù)取走；

（7）檢查單片機(jī)A的數(shù)據(jù)是否全部送完，如沒有則轉(zhuǎn)執(zhí)行（5）；

（8）撤銷REQ信號(hào)，釋放8位端口；

（9）數(shù)據(jù)發(fā)送完成，退出流程。



3.2 數(shù)據(jù)接收流程

單片機(jī)A的數(shù)據(jù)接收流程如下：

（1）進(jìn)入中斷服務(wù)流程；

（2）從8位端口讀取數(shù)據(jù)；

（3）設(shè)置ACK信號(hào)有效，表示數(shù)據(jù)已成功讀取；

（4）退出中斷服務(wù)流程。

4 三種并行接口方式的特性分析

本文介紹的三種并行通信接口連接方式能夠適用于不同的要求。下面分別對(duì)采用三種通信接口工作方式的數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行分析。假設(shè)單片機(jī)的工作時(shí)鐘頻率為24MHz，8位端口為P0口。系統(tǒng)中每一個(gè)單片機(jī)只有一個(gè)中斷源。在單個(gè)中斷源情況下的中斷響應(yīng)時(shí)間為3～8μs。在單向并行通信接口工作方式下，數(shù)據(jù)只從單片機(jī)A向單片機(jī)B傳送，假設(shè)接收方單片機(jī)B中斷接收。個(gè)字節(jié)的傳送過程將包括數(shù)據(jù)發(fā)送端口、通知接收方、等待接收方的已接收應(yīng)答等三個(gè)部分。其程序的一般寫法為：

MOV P0，#DATA

CLR STB

JB CHK，$

如各條指令的執(zhí)行時(shí)間分別為1μs、1μs、3～8μs。那么，這種方式下，一個(gè)字節(jié)的傳送時(shí)間在10μs左右，最短可到5μs，因此數(shù)據(jù)的數(shù)傳率較高。

在主從并行通信接口方式下，數(shù)據(jù)傳送包括接收和發(fā)送兩個(gè)方向，由于數(shù)據(jù)傳送均在主機(jī)控制下進(jìn)行，且數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送兩個(gè)方向的時(shí)間大體相等。根據(jù)其數(shù)據(jù)傳送流程，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的程序如下：

CLR DIR

CLR STB

MOV P0，#DATA

SETB ACK

JB CHK，$

由于該程序前4條指令的執(zhí)行時(shí)間均為1μs，最后一條指令的執(zhí)行時(shí)間為等待從機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為3～8μs，這種方式下一個(gè)字節(jié)的傳送時(shí)間在12μs左右，最短可到7μs，可見仍有效高的數(shù)傳率。

在無主從并行通信接口方式下，文中只討論了主動(dòng)向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)的方式，而沒有討論主動(dòng)從對(duì)方讀取數(shù)據(jù)的方式，這是因?yàn)橥ㄟ^簡(jiǎn)單的接口協(xié)議可以使對(duì)方主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而達(dá)到讀取數(shù)據(jù)的目的。根據(jù)圖3和其數(shù)據(jù)發(fā)送流程可知，在沒有8位數(shù)據(jù)端口使用沖突的情況下，其數(shù)據(jù)傳送的基本步驟與主從方式數(shù)據(jù)傳送的步驟基本相同，但需要對(duì)8位端口的使用進(jìn)行聲明確認(rèn)的撤銷，這需要執(zhí)行至少4條指令，時(shí)間約需4μs，因此，這種試上單字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間在11～18μs。當(dāng)遇上8位數(shù)據(jù)端口使用有沖突時(shí)，則數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間還會(huì)受8位數(shù)據(jù)端口被占時(shí)間的影響，因而變得不確定。

5 結(jié)束語

由于MCS51系列單片機(jī)已衍生出了許多規(guī)格和型號(hào)的產(chǎn)品，且使用起來方便靈活，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，因此討論它們的一般應(yīng)用是非常有意義的。MCS51系列單片機(jī)的直接并行互連具有一定的實(shí)用價(jià)值，能簡(jiǎn)化許多應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在許多的應(yīng)用系統(tǒng)中，完全可以把MCS51系列單片機(jī)當(dāng)作普通的可編程器件來使用。本文介紹的單向并行通信接口中的接收方單片機(jī)，主從并行通信接口中的從機(jī)都是這樣使用的。