MSP430多處理器之間的通信方式及協(xié)議

在單片機(jī)系統(tǒng)中，多處理器是指多個相同類型或者不同類型的單片機(jī)協(xié)作處理同一個系統(tǒng)的不同工作。它們之間必須具備一定的數(shù)據(jù)交換和協(xié)作處理能力，共同完成一個系統(tǒng)化的工作。不同處理器之間可以采用數(shù)據(jù)交換方式、并行總線方式、串行總線方式進(jìn)行通信。其中，數(shù)據(jù)交換方式又可以稱為共享內(nèi)存交換方式；串行總線方式又可以分為單總線方式、集成電路之間的通信方式和UART方式。

1 MSP430多處理器

MSP430是一款超低功耗的混合信號控制器，具有1 6位RISC結(jié)構(gòu)，有著豐富的片內(nèi)外設(shè)，主要包括有看門狗、定時器、比較器、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、ADC、I／0端口、串口(USART)等等，還集成有64 KB的Flas’E-ROM和2 KB的RAM。其功能強(qiáng)大，應(yīng)用場合廣泛。但是在大型復(fù)雜的場合或者實(shí)時性要求較高的場合，使用一個處理器處理所有的業(yè)務(wù)，總是顯得有些不足。引入多個MsP430處理器協(xié)作工作的模式，可以提高系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性和適用性。

在多數(shù)場合，MSP430無須為每個處理器擴(kuò)展FlashROM，也無須擴(kuò)展RAM，采用共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換方式組成多處理器系統(tǒng)并非最佳選擇。此外，MSP430包括有兩個串口(USART)，在MSP430的應(yīng)用中，可以把兩組串行端口中的一個供外部通信使用，另一個串行端口供內(nèi)部通信使用。采用串行總線中的串行通信方式組成多處理器系統(tǒng)是比較理想的選擇。

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 MSP430多處理器組成

MSP430具有兩個串行端口(USART)，可以使用其中的一個作為多處理器之間的通信端口。由于串行通信的架構(gòu)限制，MSP430采用UART串行通信模式組成的多處理器系統(tǒng)，必須建立一個主處理器和若干從處理器。主處理器的TXD端與所有從處理器的RXD端相連，所有從處理器的TXD端與主處理器的RXD端相連。MSP43O多處理器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

在這個結(jié)構(gòu)中，主處理器通過TXD端發(fā)送出指令報(bào)文，傳輸?shù)綇奶幚砥鞯腞XD接收端；從處理器對指令報(bào)文進(jìn)行解包并且對這個指令報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)。從處理器的響應(yīng)報(bào)文通過TXD發(fā)送到主處理器的RXD接收端，主處理器獲取響應(yīng)報(bào)文確認(rèn)指令是否被正確執(zhí)行。從這個結(jié)構(gòu)上看，主處理器可以與任何從處理器進(jìn)行通信，任何從處理器也可以和主處理器進(jìn)行通信，但是從處理器與從處理器之間卻不可以進(jìn)行直接的通信。

2.2 多處理器系統(tǒng)串行通信協(xié)議

在多處理器系統(tǒng)的串行通信方式中，可以有若干種通信協(xié)議進(jìn)行選擇，如ModBus、Brooks、工業(yè)總線協(xié)議等等。在此，可以選擇業(yè)界通用的MocBus通信協(xié)議作為處理器與處理器之間的通信協(xié)議。

2.3 ModBus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)設(shè)備。ModBus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等報(bào)文格式，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。ModBtls的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通信采用Master／Slave方式。Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Mastez端，以響應(yīng)請求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。

2.4 ModBus在多處理器系統(tǒng)中的報(bào)文格式

由于是一個主服務(wù)器對應(yīng)多個從處理器的系統(tǒng)，處理器與處理器之間的報(bào)文傳輸必須明確標(biāo)注目標(biāo)地址和源地址，以免不相干的處理器之間進(jìn)行誤導(dǎo)操作。除此以外，為了提高主處理器的處理能力，同時避免不同處理器存在報(bào)文相應(yīng)速度差，以及不同指令任務(wù)之間存在處理量差異的問題，必須采用異步通信模式進(jìn)行通信。要滿足異步通信模式，必須在報(bào)文中對每次的通信操作加注請求報(bào)文的16位標(biāo)示(可以稱之為句柄)，同時對這些句柄進(jìn)行記錄。

2.4.1 數(shù)據(jù)讀取請求報(bào)文格式

 

源地址：主處理器地址。
目標(biāo)地址：指令目的地地址(從處理器)。
句柄：指令請求標(biāo)示號。
功能代碼：操作指令代碼。
起始地址：讀取從處理器數(shù)據(jù)寄存器的起始地址。
字節(jié)數(shù)：操作所涉及的寄存器字。
校驗(yàn)碼：CRC校驗(yàn)碼或者LRC校驗(yàn)碼。

2.4.2 數(shù)據(jù)讀取應(yīng)答報(bào)文格式

 

源地址：從處理器地址。
目標(biāo)地址：主處理器地址。
句柄：指令請求標(biāo)示號。
功能代碼：操作指令代碼。
數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)：操作所涉及的寄存器字節(jié)數(shù)。
數(shù)據(jù)1至數(shù)據(jù)n:數(shù)據(jù)。
校驗(yàn)碼：CRC校驗(yàn)碼或者LRC校驗(yàn)碼。

其中，應(yīng)答報(bào)文中的目標(biāo)地址等價于請求報(bào)文中的源地址，應(yīng)答報(bào)文中的源地址等價于請求報(bào)文中的目標(biāo)地址。

2.5 校驗(yàn)碼

在ModBus中，通用的校驗(yàn)方式是ASCII協(xié)議方式采用LRC校驗(yàn)方式，RTU協(xié)議方式采用CRC校驗(yàn)方式。

2.5.1 LRC校驗(yàn)

LRC校驗(yàn)比較簡單。它在ASCII協(xié)議中使用，檢測了消息域中除開始的冒號及結(jié)束的回車換行號外的內(nèi)容。它僅僅是把每一個需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按字節(jié)疊加后取反加1即可。下面是它的C代碼：

BYTE GetCheckCode(const char*pSendBuf，Int nEnd)
{ ／／獲得校驗(yàn)碼
BYTE byLrc=O。
char pBuf[4]；
int nData=0
for(i=1;i<end；i+=2)／／i初始為1，避開“開始標(biāo)記”冒號
{／／每兩個需要發(fā)送的ASCII碼轉(zhuǎn)化為一個十六進(jìn)制數(shù)
pBuf[O]=pSendBuf[i]；
pBu=pSendBuf；
pBuf[2]=、O’；
sscanf(pBuf，”％x”，& nData)；
bvLrc+=nData；
byhc=～byLrc；
byLrc++；
return byLrc;
}

2.5.2 CRC校驗(yàn)

CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)和當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個字符中的8位數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗(yàn)位均無效。

CRC產(chǎn)生過程中，每個8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相或(OR)，結(jié)果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測。如果LSB為1，寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值“或”一下；如果LSB為O，則不進(jìn)行。整個過程要重復(fù)8次。在最后一位(第8位)完成后，下一個8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相“或”。最終寄存器中的值，是消息中所有字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。

CRC添加到消息中時，低字節(jié)先加入，然后高字節(jié)加入。下面是它的C代碼：
WORD GetCheckCode(const char*pSendBuf，int nEnd)
{ ／／獲得校驗(yàn)碼
WORD wCrc=WORD(0xFFFF)；
for(int i=O；i<nEnd；i++){
wCrc^=WoRD(BYTE(pSendBuf[i])；
for(Intj=O；j<8；J++){
if(wCrc＆1){
wCrc>>=l；
wCrc^一OxA00l：
}
else{
wCrc>>=1；
retIlrIl wCrc：

3 報(bào)文示范

ModBus包含ASCII和RTU兩種報(bào)文格式。RTU報(bào)文較短，但是沒有邊界定義;ASCII報(bào)文較長，但是邊界明了。在多處理器通信之中，由于通信距離很短，干擾較小，因此可以選擇較高的通信速率。通信速率提高了，報(bào)文長度較長對通信的影響不大，因此可以選擇ASCII報(bào)文格式進(jìn)行通信。

ModBus的ASCII讀取請求報(bào)文格式如下：

 

ModBus 的 ASCII讀取請求報(bào)文格式如下：

 

假設(shè)主機(jī)地址01，要對從機(jī)地址02進(jìn)行讀取247和248地址的兩個寄存器值的通信，并且本次通信為第1次通信，設(shè)定流水號為000l。

 

結(jié)  語

多處理器協(xié)作工作模式和通信協(xié)議，已經(jīng)成功應(yīng)于CNG加氣機(jī)，使系統(tǒng)信息交換更加迅速、可靠，整個系統(tǒng)的性能得到了提高。