鐵電存儲器在多CPU自動識別控制系統(tǒng)中的應用

1、自動識別控制系統(tǒng)簡介

自動識別技術是將數(shù)據(jù)自動識讀、自動輸入計算機的一種方法或手段。它是包括條碼技術、磁條(卡)技術、光學字符識別、系統(tǒng)集成化、射頻技術、聲音識別及視覺識別等集計算機、光、機電、通信技術為一體的綜合性高新科學技術。自動識別技術提供了快速、準確地進行數(shù)據(jù)采集輸入的有效手段，解決了手工數(shù)據(jù)輸入速度慢、錯誤率高等造成的“瓶頸”難題，因而自動識別技術作為一種革命性的高新技術，日益為人們所接受。

自動識別控制系統(tǒng)則是集微機自動識別技術和現(xiàn)代安全管理與控制措施為一體的系統(tǒng)，它涉及電子，機械，光學，計算機技術，通訊技術，生物技術等諸多新技術。是解決重要部門出入口實現(xiàn)安全防范管理的有效措施。包括出入口門禁安全管理系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、車輛進出控制系統(tǒng)、物業(yè)消防監(jiān)控系統(tǒng)、保安巡檢管理系統(tǒng)等，適用各種機要部門，如銀行、賓館、機房、軍械庫、機要室、辦公間,智能化小區(qū)，工廠等。

自動識別控制系統(tǒng)在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮著巨大的作用。因此設計一款性能價格比較高的產(chǎn)品將有著廣泛的應用前景。

2、自動識別控制系統(tǒng)的功能組成

作為一種通用性強、功能齊全 的自動識別控制系統(tǒng)，應該具有眾多組成要素。下面我們就以一個4門門禁控制器為例來說明，它的功能模塊組成如下：

4路開門繼電器控制電路+1路報警繼電器控制電路
4路門位置信號偵測電路+4路開門按鈕信號偵測電路+4路防破壞信號偵測電路
4路開關量輸入電路+4路開關量輸出電路
8路WIGEN信號譯碼電路（用于接8個WIGEN讀卡器）
2路ABA信號譯碼電路與2路鍵盤仿真信號電路（用于接2個ABA讀卡器或2個鍵盤仿真讀卡器）
1路TTL232/RS232信號譯碼電路（用于接1個TTL232/RS232讀卡器）
1路RS485信號控制電路（用于連接多達32個RS485方式的讀卡器）
1路設備ID號設置撥斷開關
時鐘芯片控制電路
存儲芯片控制電路（用于存儲用戶信息和事件信息）
系統(tǒng)監(jiān)控電路
通訊電路（用于和上位機進行通訊）

3、幾種主控設計方案的比較

隨著電子技術的發(fā)展，各種CPU、存儲芯片、系統(tǒng)擴展芯片、時鐘芯片等層出不窮，在給設計人員有了更多選擇的同時，也帶來了另一個問題，就是該如何選擇一種適合于自身的一種方案。這個方案不但要能實現(xiàn)系統(tǒng)需求的基本功能，還要在可靠性、開發(fā)難易程度、芯片供貨情況以及價格等方面都要做到適宜。針對上面列出的4門控制器的功能特點，我們可做以下幾個方案：

3.1.傳統(tǒng)形式

這是一種為廣大嵌入式系統(tǒng)設計人員熟知的形式，在很多教科書及應用系統(tǒng)中有著詳細的介紹。

在主控方面，一般采用以應用最廣的8051+EPROM程序存儲器或帶有大容量FLASH ROM 的CPU如SST89C58或P89C51RD2

在系統(tǒng)擴展方面，2片74HC138用于譯碼，1片74HC373用于地位地址鎖存，1片74HC245用于總線驅動，3片74HC377用于信號輸出，4片74HC244用于信號輸入
存儲方面，一片628128用于存儲事件信息和外部變量，一片28SF040或39SF040用于存儲各種有效卡片、非法卡片信息

時鐘方面，采用一片串行方式的DS1302或并行數(shù)據(jù)方式的DS12C887

通訊方面，2片485芯片，一片用于和上位機通訊，一片用于和RS485讀卡器通訊

這種方式具有芯片價格較便宜，供貨渠道廣泛，編程調試較容易等優(yōu)點，但其體積龐大，芯片多，硬件故障點增多，而且由于任務眾多，導致CPU工作繁忙，軟件中的各種中斷處理容易干擾，雖然現(xiàn)在已有基于8051的實時多任務操作系統(tǒng)可以解決此問題,但是這要求設計者一方面要選擇價格相對高的CPU，另一方面也要學習消化RTX51,而將其正確的應用到系統(tǒng)中去需要更高的軟件技巧和更多的調試時間。否則軟件的可靠性無法保證。這對于產(chǎn)品的快速市場化是不利的。

3.2.ARM+CPLD

ARM芯片及CPLD芯片是最近幾年流行起來的嵌入式系統(tǒng)的構成部件，他們將可能成為后PC時代嵌入式系統(tǒng)設計的首選。ARM是一款32位的精簡指令集（RISC）處理器架構，以其高性能、低功耗、低成本占有市場。 以PHILIPS的LPC2104為例，它具有128K 片內Flash程序存儲器、最多64K靜態(tài)RAM、雙UART、兩個定時器、具有4路捕獲/比較通道、多達6路輸出的PWM單元、實時時鐘、看門狗定時器、通用I/O口、CPU操作頻率可達60MHz等特點。

CPLD是復雜可編程邏輯陣列的簡稱，它具有口線多、速度快、可編程、純硬件電路等特點。

根據(jù)我們提出的4門控制器的功能，一片ARM及一片CPLD，加上少許外圍電路，即可實現(xiàn)。這樣不僅使系統(tǒng)板的體積大大減少，而且增加了可靠性，這是其他方式所不能比擬的。但是，由于ARM及CPLD均是新興的技術，對于一些基于8051單片機經(jīng)驗豐富的設計者而言，卻需要有一個不短的時間去學習消化實踐，另外，有關ARM及CPLD的開發(fā)工具，如仿真器、集成開發(fā)環(huán)境IDE都在一個比較高的價位上，且學習及使用都比8051難多了。這不僅對產(chǎn)品的快速市場化不利，而且也不適合對某些場合靈活多變的設計。而且，目前這兩種芯片的價格較8051組成的系統(tǒng)價格仍偏高，這也不太適合應用于本文提出的通用控制器。

3.3.多CPU系統(tǒng)

在經(jīng)過對上述兩種方案的比較后，是否還有其他某種使用芯片數(shù)量最少、價格最便宜、功能最齊全、設計靈活多變的方案呢？答案是肯定的。那就是采用多CPU系統(tǒng)。基于8051芯片如AT89x52的廣泛使用，使單片機的價格大大下降。目前，89X52的市場零售價已經(jīng)低于8255、8279、8253、8250等專用接口芯片中的任何一種；而89X52的功能實際上遠遠超過以上芯片。因此，如把89x52作為接口芯片使用，在經(jīng)濟上是合算的。這樣就解決了系統(tǒng)擴展芯片眾多的缺點。一片89x52有32個I/O口，均可做輸入輸出，且有3個定時器和2個外部中斷，完全可以解決對ABA/WIGEN/232不同串行信號的處理。

正如軟件可由實時多任務操作系統(tǒng)RTOS來實現(xiàn)一樣，硬件一樣可用多CPU組成的系統(tǒng)來實現(xiàn)。

這樣，本文提出得4門控制器將由3片CPU共同組成，它具有以下特點 芯片數(shù)目少。除了存儲芯片和時鐘芯片，基本只剩下3塊89S52 CPU用89S52價格低的特點，充當外設。使用靈活?？筛鶕?jù)情況減少某個CPU或更改其程序完成不同的功能原來寫在一個CPU中的程序分離，使每個芯片基本上在8K之內完成，也就是都可選擇89S52,不用采用昂貴的大容量FLASH 8051內核的 CPU。加了看門狗的主CPU可以實時監(jiān)控另外兩個CPU的工作是否正常各CPU各司其職。提高了與上位機通訊的速度及準確性，提高了讀寫存儲的速度以及訪問FALSH的時間。由于將個任務分解，所以每個CPU所用的寄存器較少，均可以使用89S52自帶的256字節(jié)RAM即可，不必使用XDATA訪問RAM 中的CPU ,提高了各CPU執(zhí)行的速度。

4、選擇FM3808為多功能存儲、時鐘、系統(tǒng)監(jiān)控芯片

4.1.傳統(tǒng)方式的說明

在確立了主控方式之后，要選擇存儲、時鐘及系統(tǒng)監(jiān)控芯片，我們先來分析以往芯片的選擇正如3.1種所描述的，除了選擇具有512K BYTES的FLASH ROM 芯片作為卡號存儲芯片外(因為無論有效無效卡號，其更改頻率是不高的，采用此芯片不會影響芯片)，作為常用的信息存儲及外部寄存器芯片,一般采用SRAM如628128，雖然此芯片目前價格很便宜，但由于系統(tǒng)掉電后，其中的所有信息消失，所以必須加掉電保護電路和電池。而無論采用專用的掉電保護芯片和采用分立元件組成的對電路，都不能100%的保證數(shù)據(jù)部丟失，尤其是在電源不穩(wěn)定和干擾嚴重的環(huán)境下。

時鐘有眾多選擇，如DS1302及12887，但價格不低監(jiān)控芯片也有很多種，如X25045，它集成了看門狗、電壓監(jiān)測、可靠復位及EEPROM等特點，但價格也不低。

4.2. FM3808的特點

為了使系統(tǒng)具有更高的可靠性以及小型化，我們將采用RAMTRON的新型多功能芯片：

FM3808,一種將掉電非遺失、實時時鐘、系統(tǒng)監(jiān)控于一體的高性能芯片。它具有以下特點：

32K*8 BIT 非易失RAM
高達100億次的讀寫次數(shù)
寫無延時
數(shù)據(jù)可保存10年
內置低電壓保護
實時時鐘
后備電源切換
可編程時鐘日歷報警
可編程看門狗定時器
電源監(jiān)測
可編程中斷輸出
可編程CPU復位或中斷
5V工作電壓
后備電壓可低至5V
動態(tài)電流25mA
時鐘后備電流1uA

5、選擇FM24C16作為多CPU通訊中樞

在確立以多CPU方式作為系統(tǒng)主控方案后，需要解決一個最關鍵的問題，那就是CPU之間的通訊。讓我們先來比較一下幾種數(shù)據(jù)交換的優(yōu)缺點。

5.1.幾種單片機之間的通信方式的可行性分析

采用硬件UART進行異步串行通信。這是一種占用口線少，有效、可靠的通信方式；但在本文提出的4門控制器方式中，一個CPU的UART要完成與上位機的通訊，一個CPU的UART負責與485讀卡器或232讀卡器之間的通訊，可見硬件資源是不夠的。這種方法不適合本例。

采用片內SPI接口或2C總線模塊串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件簡單、軟件編程容易等特點，但目前大多數(shù)單片機不具備硬件SPI/I2C模塊。特別是我們采用的通用廉價的89X52系列單片機。這種方法也不可行?？趯诓⑿型ㄐ?，利用單片機的口線直接相連，加上1～2條握手信號線。這種方式的特點是通信速度快，1次可以傳輸4位或8位，甚至更多，但是并行RAM需要占用大量的口線（數(shù)據(jù)線+地址線+讀寫線+片選線+握手線），一般在16條以上。這是一個讓人望而生畏的數(shù)字，而且會大大增加PCB面積并給布線帶來一定的困難。這有悖于將CPU口線用于擴展口線的特點。使實際需要的口線不夠用，因此也是不可行的。利用雙口RAM作為緩沖器通信。這種方式的最大特點就是通信速度快，兩邊都可以直接用讀寫存儲器的指令直接操作；但這種方式需要大量的口線，而且雙口RAM的價格很高。同樣不予考慮。利用自定串行通訊協(xié)議在CPU間進行通訊。這是在FM24C16未面世以來，最符合本文提出的4門控制器的一種方式，且已正常應用于實際系統(tǒng)當中。雖然可以滿足本系統(tǒng)的需要，占用口線少，使用靈活，但調試相當繁瑣，因為不但要正確解決好中斷的請求問題，還要精心調試時序以及通訊協(xié)議，尤其是在3個CPU間的通訊當中，單片機要傳遞的每一位或每一個字節(jié)做出響應，通信數(shù)據(jù)量較大時會耗費大量的軟件資源，這在一些實時性要求高的地方是不允許的。況且沒個CPU都有各自的任務，如果將太多的軟件資源用于數(shù)據(jù)交換，則失去了采用多CPU方案的意義。

5.2.FM24C16的特點

針對自定串行通訊協(xié)議存在的問題，我們設想若是在單片機之間增加1個數(shù)據(jù)緩沖器，大批數(shù)據(jù)先寫入緩沖區(qū)，然后再讓對方去取， 各個單片機對數(shù)據(jù)緩沖器都是主控模式，這樣必然會大大提高通信效率。不選擇EEPROM是因為其讀寫次數(shù)有限且速度慢，而串行數(shù)據(jù)緩沖的RAM不但難以買到而且價格很高。移位寄存器也可以做數(shù)據(jù)緩沖器，但目前容量最大的也只128位，因為是“先進先出”結構，所以不管傳遞數(shù)據(jù)多少，接收方必須移完整個寄存器，靈活性差而且大容量的移位寄存器也是少見難買的。

而隨著美國Ramtran公司一種被稱為“鐵電存儲器”（ 簡稱FRAM）的新型非易失性存儲器件的推出，給我們帶來了解決方法。其中的FM24C16應用于本文的4門控制器就再合適不過了。

不需寫入時間、讀寫次數(shù)無限沒有分布結構可以連續(xù)寫放的優(yōu)點，具有RAM與EEPROM的雙得特性
價格較低因此我們可以將3個CPU 與1片F(xiàn)RAM接成多主-從的I2C總線方式，加上幾條握手線，軟件方面解決好I2C多主-從的控制沖突與通信協(xié)議問題，即可實現(xiàn)簡單、高效、可靠的通信。

6、各CPU功能規(guī)劃

6.1.CPU1功能介紹

任務1：定時發(fā)送繼電器控制信息 （24C16中的第1頁01-08字節(jié)）
任務2：定時發(fā)送正常狀態(tài)信息 (24C16中的第1頁61字節(jié))
任務3：根據(jù)條件實時發(fā)送設置信息24C16中的第4頁01---字節(jié)）
任務4：定時查詢CPU2的監(jiān)測信息（24C16中的第2頁01-15字節(jié)）
任務5：定時查詢CPU3機器號信息 (24C16中的第3頁01-05字節(jié))
任務6：定時查詢CPU3的卡片信息（24C16中的第3頁11-25字節(jié)）
任務7：監(jiān)控串行口由上位機發(fā)出的命令
任務8：處理卡號信息
任務9：定時查詢FM3808的時鐘信息

6.2.CPU2功能介紹

任務1：定時查詢CPU1的控制信息（24C16中的第1頁 01-08字節(jié)）
任務2：每隔 2S查詢CPU1的狀態(tài)信息（24C16中的第1頁 61字節(jié)）
任務3：每隔 2S查詢CPU3的狀態(tài)信息（24C16中的第3頁 31字節(jié)）
任務4：實時發(fā)送監(jiān)測信息(24C16中的第2頁01-15字節(jié))
任務5：實時發(fā)送時鐘信息(24C16中的第2頁21-36字節(jié))

6.3.CPU3功能介紹

任務1：定時發(fā)送發(fā)送機器號信息 （24C16中的第3頁01-05字節(jié)）
任務2：根據(jù)變化實時發(fā)送卡片信息 （24C16中的第3頁11-26字節(jié)）
任務3：定時發(fā)送發(fā)送正常狀態(tài)信息（24C16中的第3頁31字節(jié)）
任務4：監(jiān)控485讀卡器信息
任務5：監(jiān)控wigen26讀卡器信息
任務6：監(jiān)控ABA/鍵盤仿真讀卡器信息

7.系統(tǒng)功能框圖

8.結束語

本文給出的基于多cpu方式的4門控制器，一方面充分利用鐵電存儲器FM3808非易失RAM及融合時鐘、監(jiān)控與一體的多功能特點，另一方面將FM24c16的讀寫速度快、讀寫次數(shù)巨大的特點完美的嵌入到3個cpu間的通訊當中，實現(xiàn)了多cpu系統(tǒng)使用靈活、編程方便、資源豐富的多快好省的優(yōu)越性。

此控制器不僅可作為自動識別多門控制系統(tǒng)的主控器，而且在空調控制、工業(yè)控制等領域也進行了實踐應用，并取得了良好的效果。

參考文獻

（1）陳 沖，一種基于鐵電存儲器的雙機串行通信技術，單片機及嵌入式系統(tǒng)應用，2002