基于AVR微控制器的多機(jī)系統(tǒng)

用戶總是希望產(chǎn)品恰好滿足自己的需求，在采集、測量等行業(yè)尤其如此。有的用戶希望買到的儀器能夠增加更多的功能；而需求單一的用戶卻不希望買到功能繁多而自己使用不上的設(shè)備。這就需要產(chǎn)品具有功能的可擴(kuò)展性和可裁減性，同時該功能的引入或裁減不會影響到設(shè)備其他的功能，還要保證設(shè)備工作的可靠性。

多機(jī)系統(tǒng)就是為滿足這一需求而設(shè)計的。本文所研究的多機(jī)系統(tǒng)是指多個功能獨立的微控制器可以相互通信，由一片主控微控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理，并利用各種通信方式來協(xié)調(diào)各獨立微控制器的工作。利用該多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的多功能測試儀器性能穩(wěn)定，由于其具有可擴(kuò)展性和可裁減性，可以為不同的用戶提供不同的功能。

設(shè)計通用型多機(jī)系統(tǒng)平臺在選擇微控制器上要考慮眾多因素，如功能性、穩(wěn)定性、易用性和價格等。本文中的多機(jī)系統(tǒng)選擇AVR微控制器主要基于以下幾方面因素：主控微控制器ATmega128具有雙串口，可以給從機(jī)和PC端各分配一個，128kb的Flash容量足夠編程使用，PWM等功能可供擴(kuò)展使用；從機(jī)系統(tǒng)使用的ATmega8是一款性價比優(yōu)越的微控制器，可滿足采集、測量等多種領(lǐng)域的需求，同時聯(lián)合ATmega128開發(fā)可以使用相同的開發(fā)工具，從而降低了開發(fā)成本。由ATmega8和ATmega128組成的多機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)如圖1所示。

總線的設(shè)計

總線設(shè)計力求達(dá)到硬件簡單、使用方便、接口可帶電插拔等要求。由于ATmega8及ATmega128都具有自己的串口，于是在總線設(shè)計上采用四線制：串口接收線、串口發(fā)送線、電源線和地線。

為了增加ATmega128的驅(qū)動能力，它與總線的接口用反向器74LS14通過兩級反相來實現(xiàn)，電路如圖2所示。
從機(jī)ATmega8總線接口部分，除了用反相器74LS14兩級反相驅(qū)動數(shù)據(jù)線外，為了保證通信的可靠性，還在串口收發(fā)兩條線上各加一個光耦6N135，電路如圖3所示。耦合傳輸信號避免了直接的電氣連接，實現(xiàn)了隔離作用，保證了通信傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

ATmega128與PC的通信電路如圖4所示。利用ATmega128雙串口的特性，利用其中一個串口與PC通信，電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232，同時也增加光耦器件6N135來提高系統(tǒng)抗干擾的能力。

圖4 ATmega128與PC的接口

通信協(xié)議

根據(jù)系統(tǒng)的要求，通信協(xié)議應(yīng)保證各部分通信的可靠性，為未來可擴(kuò)展部分預(yù)留余量，而且通信協(xié)議要盡可能簡單，通信數(shù)據(jù)量盡可能少，從而提高通信的速度。為滿足以上要求，通信協(xié)議采用4字節(jié)為一個完整的數(shù)據(jù)幀，具體主機(jī)從機(jī)各自數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

對于ATmega128與ATmega8組成的主從機(jī)系統(tǒng)而言，ATmega128是主機(jī)，它可以同時對多達(dá)16個ATmega8從機(jī)進(jìn)行控制。對于PC與ATmega128組成的主從機(jī)系統(tǒng)，PC則扮演主機(jī)的角色，它可以同時對多個ATmega128進(jìn)行控制。如果PC要對某一ATmega128 下的ATmega8進(jìn)行控制，它就必須先發(fā)命令給對應(yīng)的ATmega128，再通過ATmega128對具體ATmega8的控制來實現(xiàn)。

系統(tǒng)性能測試

筆者以該多機(jī)通信系統(tǒng)為平臺搭建了8項家用電器測試系統(tǒng)，測試項目包括耐壓測試、泄漏電流測試、接地電阻測試、絕緣電阻測試、功率測試和低壓啟動測試。每片ATmega8實現(xiàn)兩項測試功能，三片ATmega8通過該多機(jī)通信系統(tǒng)由一片ATmega128統(tǒng)一管理。由于該測試系統(tǒng)要實現(xiàn) 500～5000V耐壓測試，以及2～20A大電流的泄漏電流測試，正好可以用來檢驗該多機(jī)系統(tǒng)在非常惡劣的電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性。筆者利用一臺PC作為主機(jī)，同時控制三套六項家用電器測試系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性測試。整套系統(tǒng)經(jīng)過72小時不間斷工作測試運行良好，證明多機(jī)系統(tǒng)方案穩(wěn)定、可靠。利用這一多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的6項家用電器測試系統(tǒng)推向市場后，用戶的反饋也表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性很好。

結(jié)論

AVR微控制器有著較高的性價比，在科研和工程等方面的應(yīng)用越來越廣泛。本文著重敘述了AVR微控制器中ATmega128與ATmega8及PC 之間的串口通信的軟硬件實現(xiàn)問題，這一方案已經(jīng)應(yīng)用在實際中，經(jīng)測試該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抗干擾性能好，而且由于其較強(qiáng)的可擴(kuò)展能力（每個ATmega128 可控制16個ATmega8），可以在原系統(tǒng)不做任何改變的情況下增加或減少功能，且不會影響到系統(tǒng)整體的性能。由于采用模塊化設(shè)計方法，該系統(tǒng)靈活性好，可以適應(yīng)不同的要求。本文所述的ATmega128和ATmega8構(gòu)建的多機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程對AVR其他型號的微控制器同樣適用。