C8051F120與RS422息線的時鐘同步技術(shù)

引 言
由于指令的速度不斷加快，單片機在各個方面的性能大為提高，比如多個單片機之間的時鐘同步。Silicon Labs公司的C8051F系列單片機的執(zhí)行速度最高可以達到100MIPS，這使得更高精度的時鐘同步成為可能。時鐘同步是一個在多單片機相互配合時經(jīng)常遇到的問題，主要有兩種同步方式——絕對同步和相對同步。絕對同步是指各個控制器和一個標準的時間進行同步，比如北京時間、華盛頓時間等等；而相對時鐘同步是指各個單片機和一個相對穩(wěn)定的時鐘進行同步，與外界的時間沒有聯(lián)系。本文主要針對RS422總線組成的網(wǎng)絡(luò)的高精度時鐘同步問題，提出了一種相對時鐘同步解決方案。

1 整體框架結(jié)構(gòu)
RS422網(wǎng)絡(luò)中，多個單片機的連接如圖1所示。這是一個典型的“一主多從”式結(jié)構(gòu)：主單片機通過向從單片機發(fā)送命令，實現(xiàn)管理功能；從單片機主要執(zhí)行具體的功能，比如數(shù)據(jù)采集、D／A轉(zhuǎn)換輸出等。為了使多個單片機能夠同步工作，需要一種同步方式，所以從單片機不但要實現(xiàn)各自的具體功能，而且還要能夠進行多個單片機的時鐘同步。本方案設(shè)計了從單片機的幾種工作狀態(tài)。R和T分別表示R+、R-和T+、T-。

2 從單片機的狀態(tài)機
本文重點介紹系統(tǒng)時鐘同步功能的實現(xiàn)，但是在實際應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)必定要實現(xiàn)其他的功能，比如數(shù)據(jù)采集、模擬量輸出等。主單片機的作用是控制從單片機工作，所以要使從單片機具有不同的工作狀態(tài)。本文設(shè)計了3種工作狀態(tài)：準備態(tài)、時鐘同步態(tài)、工作態(tài)。3種工作狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。圖中，①代表主單片機向從單片機發(fā)送“工作”命令；②代表主單片機向從單片機發(fā)送“時鐘同步”命令；③代表主單片機向從單片機發(fā)送“工作態(tài)向時鐘同步態(tài)轉(zhuǎn)換”命令；④代表主單片機向從單片機發(fā)送“時鐘同步態(tài)向工作態(tài)轉(zhuǎn)換”命令。

準備態(tài)是從單片機上電后的工作狀態(tài)，當主單片機向某一從單片機發(fā)送“是否準備好”命令后，若從單片機回復(fù)“準備好”，則說明從設(shè)備已經(jīng)處于準備好的狀態(tài)，可以向時鐘同步態(tài)和工作態(tài)進行轉(zhuǎn)換。如果從單片機處于工作態(tài)，主單片機發(fā)送“工作態(tài)向時鐘同步態(tài)轉(zhuǎn)換”命令，則從時鐘進入時鐘同步態(tài)；如果從單片機處于時鐘同步態(tài)，主單片機發(fā)送“時鐘同步態(tài)向工作態(tài)轉(zhuǎn)換”命令，則從單片機由時鐘同步態(tài)轉(zhuǎn)換到工作態(tài)。

3 時鐘同步設(shè)計的基本原理
本方案采用多個C8051F120單片機組成RS422網(wǎng)絡(luò)。C8051F120單片機具有高達100MIPS的執(zhí)行速度，也就是1μs可以執(zhí)行100條單周期指令，所以定時器定時1μs可以達到1％的精度。而RS4．22總線組成的網(wǎng)絡(luò)是“一主多從”式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備都有自己的時鐘，時鐘采用定時器實現(xiàn)，1μs觸發(fā)一次。主設(shè)備和從設(shè)備的時鐘偏差產(chǎn)生有兩個原因；一是某些隨機因素產(chǎn)生的誤差；二是由于晶振的運行速度不同引起的誤差，此誤差的產(chǎn)生主要受溫度的影響，而溫度又是由工作環(huán)境來決定的。本文采用相對時鐘同步的方法來減小這種誤差的影響。
該方法分為2步：
①主設(shè)備每2 s進行一次時鐘同步。主設(shè)備首先發(fā)送報文master_a(該報文本身不含發(fā)送時間)，之后再發(fā)送一幀帶有該報文發(fā)送時間信息的報文master_b。這樣，從設(shè)備可以分析出主設(shè)備的同步報文的發(fā)送時間T1和接收時間T2(如無特殊標注，文中所涉及的時間變量都是以μs為單位的)。從設(shè)備再發(fā)送一個報文slave_c，并記下這個報文的發(fā)送時間T3，主設(shè)備接到該報文后記下接收時間T4，并把T4發(fā)給從設(shè)備，從設(shè)備就有了T1、T2、T3、T4的值。由于主設(shè)備和從設(shè)備都采用同一波特率進行串行通信，所以只要保證主設(shè)備的報文和從設(shè)備的報文發(fā)送的字節(jié)數(shù)相同，就可以看成主設(shè)備和從設(shè)備的發(fā)送時間和接收時間是相同的，即圖3中的T1、T2、T3、T4四點構(gòu)成的是等腰梯形。所以主設(shè)備和從設(shè)備之間的時間偏差：

從設(shè)備的時間T_Slave減去從設(shè)備和主設(shè)備之間的偏差△，即校正后的時間。但此時校正后的結(jié)果只是改變從設(shè)備的時鐘誤差，并沒有改變從時鐘的時鐘頻率。隨著時間的增長，這個誤差就又會出現(xiàn)，因此想要減小這個誤差必須采用進一步的方法。
②進行時鐘頻率的校正。C8051F120單片機的指令速度很快(可達100MIPS)，這就為單片機應(yīng)用內(nèi)部定時器實現(xiàn)頻率可調(diào)時鐘創(chuàng)造了有利條件。本文多次測量從設(shè)備和主設(shè)備之間的時間誤差來求取平均值，作為主從時鐘在規(guī)定時間內(nèi)的從設(shè)備和主設(shè)備之間的誤差，通過這個誤差來修正從設(shè)備的時鐘頻率。具體做法為：測量5次從設(shè)備和主設(shè)備之間的偏差△1～△5，采用平均值濾波法得到的結(jié)果△z作為2 s的時間偏差。

其中，t代表1μs內(nèi)時鐘的偏差量，單位是0．01 μs。只須修改定時器的相應(yīng)寄存器，就可以達到調(diào)整時鐘頻率的目的。

4 系統(tǒng)的硬件連接
各個單片機采用RS422總線進行互聯(lián)，形成一個“一主多從”的結(jié)構(gòu)。RS422接口電路如圖4所示。接口芯片采用Maxim公司的MAX489，其中DI、RO連接在C8051F120單片機的串口上，用端子J將各個RS422的各路信號引出。

5 時鐘同步軟件設(shè)計
時鐘同步部分的軟件設(shè)計包括主、從單片機的工作過程，以及頻率可調(diào)時鐘部分和時鐘校準部分的實現(xiàn)，但不包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)。
編者注：主從機程序略。

結(jié) 語
時鐘同步問題是多單片機同步工作面臨的一個重要問題。本文針對RS422網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步工作問題，提出了一種相對時鐘同步解決方案；并應(yīng)用單片機片內(nèi)定時器設(shè)計了一個頻率可調(diào)時鐘，在沒有增加硬件成本的前提下，明顯地減小了不同單片機之間的時鐘偏差。