MCS51系列單片機雙機并行互連的實現(xiàn)方法

　　摘要：介紹了在同一系統(tǒng)內(nèi)，MCS51系列兩單片機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現(xiàn)雙機互連的方法，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。在三種并行通信接口為單片機應用系統(tǒng)擴充硬件資源的設計提供了新的途徑。

    關鍵詞：單片機 并行通信 接口 數(shù)據(jù)傳送

　　由于MCS51系列單片機具有性能穩(wěn)定、工作可靠、價格低廉等特點，因此其應用相當廣泛。一個MCS51系列的單片機（如Atmel89cxx）內(nèi)部包含有RAM、FLASH ROM、兩個或者三個16位的定時器/計數(shù)器、一個通用異步串行通信控制器（UART）等多種資源。但即便如此，在一些相對復雜的單片機應用系統(tǒng)中，僅僅一個單片機資源還是不夠的，因此而常常需要擴充I/O接口、定時器/計數(shù)器、串行通信接口、RAM、ROM等。采用通用的標準器件進行擴充是通常的做法，但將單片機本身作為一個通用的擴充器件來使用，也不失為一個好的方法。在這種情況下，一個系統(tǒng)中就使用了兩個或兩個以上的單片機，而單片機之間就要通過互連來進行數(shù)據(jù)通信。MCS51系列的單片機（以下簡稱單片機）都帶有串口，利用串口進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)要求擴充的資源是對外連接的串口，或?qū)ο嗷ブg的數(shù)據(jù)傳送有一定的速度要求，則單片機的串口就不能用作系統(tǒng)內(nèi)兩單片機的通信接口了。所幸的是，單片機的并行端口也能相互連接來進行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)單片機端口內(nèi)部結構的特點，這些端口的端口線可以直接相連，從而使兩單片機之間并行通信接口的實現(xiàn)不用另外的硬件電路設備?；谶@種情況，設計時，可根據(jù)不同的使用要求，來采用不同的并行連接方法。下面介紹在兩個單片機之間進行三種并行通信接口的實現(xiàn)方法。

1 單向并行通信接口的實現(xiàn)

　　在應用中，如果只需一個單片機向另一個單片機傳送數(shù)據(jù)，則可以采用單向并行通信接口方式，這種方式較為簡單。圖1所示為單向并行通信接口的組成方法。圖中，單片機A為數(shù)據(jù)發(fā)送方，單片機B為數(shù)據(jù)接收方，8位端口可以是P0～3的任何一個。數(shù)據(jù)傳送的流程是：單片機A將數(shù)據(jù)送到端口后，通過STB信號中斷單片機B，單片機B進入中斷并從端口讀取數(shù)據(jù)，讀完后，利用BUSY信號進行應答，單片機A在檢查到端口線CHK上的應答信號后，就可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)了。以上是采用中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送的具體方法。當然，單片機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)點是可以充分利用單片機的資源來擴充整個系統(tǒng)的串行通信接口、并行接口、定時器等部件。

2 主從并行通信接口的實現(xiàn)

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

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

2.1 主機發(fā)送從機接收方式的主機工作流程

　　主發(fā)從收方式的工作流程如下：

　?。?）主機設置數(shù)據(jù)傳送方法控制位DIR為0，以表示主機有數(shù)據(jù)發(fā)送到從機；

　　（2）主機在STB端口產(chǎn)生一個負脈沖，以使從機進入中斷，并準備接收數(shù)據(jù)；

　?。?）主機將數(shù)據(jù)送8位數(shù)據(jù)端口，再設定ACK信號表示數(shù)據(jù)有效；

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

　?。?）數(shù)據(jù)發(fā)送完成返回。

2.2 主機接收從機發(fā)送時的主機工作流程

　　主機接收從機發(fā)送方式時的工作流程如下：

　?。?）主機設置數(shù)據(jù)傳送方向控制位DIR為1，以表示主機將從從機讀取數(shù)據(jù)；

　　（2）主機在STB端口產(chǎn)生一個負脈沖，以使從機進入中斷，并準備發(fā)送數(shù)據(jù)；

　?。?）主機查詢CHK端口，等待從機將數(shù)據(jù)送到8位端口上；

　?。?）主機從8位端口上讀取數(shù)據(jù)，再設定ACK信號以表示數(shù)據(jù)已被讀取；

　?。?）數(shù)據(jù)接收完成返回。

2.3 從機工作流程

　　在主從并行通信接口工作方式下，無論從機是接收數(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）方式下進行的，從機的工作流程如下：

　　（1）進入中斷服務程序；

　?。?）檢查數(shù)據(jù)傳送的方向；

　?。?）如果DIR為0，則等待CHK信號有效，再從8位端讀取數(shù)據(jù)，讀完后設定ACK信號有效；

　　（4）如果DIR為1，從機將數(shù)據(jù)送到8位端上，再設定ACK為有效，并等待主機取走數(shù)據(jù)（即CHK信號有效）；

　?。?）退出中斷服務程序。

3 無主從雙向并行通信接口的實現(xiàn)

　　無主從雙向并行通信接口的特點是兩個單片機處在平等的地位，兩個單片機均可隨時提出申請，向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，當然也可通過簡單的接口協(xié)議從對方讀取數(shù)據(jù)。這種情況下，就有可能出現(xiàn)兩個單片機同時提出使用8位端口的申請而發(fā)生沖突，從而影響雙方數(shù)據(jù)的傳送。要解決這個問題，就要求每一方必須在數(shù)據(jù)傳送之前進行檢查，以判斷8位端口是否被對方所使用，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根控制信號線，其中CHK/ACK控制信號線，其中CHK/ACK控制信號線的功能可以復用。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A與單片機B沒有主從關系而處在平等位置，所以單片機B與單片機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A的數(shù)據(jù)發(fā)送流程：

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

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

　　（3）再次檢查CHKREQ，判斷單片機B是否同時提出了申請；

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

　?。?）將數(shù)據(jù)送8位端口，設定STB有效；

　　（6）檢查CHK，等待單片機B將數(shù)據(jù)取走；

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

　?。?）撤銷REQ信號，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A的數(shù)據(jù)接收流程如下：

　?。?）進入中斷服務流程；

　?。?）從8位端口讀取數(shù)據(jù)；

　?。?）設置ACK信號有效，表示數(shù)據(jù)已成功讀??；

　　（4）退出中斷服務流程。

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。下面分別對采用三種通信接口工作方式的數(shù)據(jù)通信響應時間進行分析。假設單片機的工作時鐘頻率為24MHz，8位端口為P0口。系統(tǒng)中每一個單片機只有一個中斷源。在單個中斷源情況下的中斷響應時間為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A向單片機B傳送，假設接收方單片機B中斷接收。個字節(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答等三個部分。其程序的一般寫法為：

　　MOV P0，#DATA

　　CLR STB

　　JB CHK，$

　　如各條指令的執(zhí)行時間分別為1μs、1μs、3～8μs。那么，這種方式下，一個字節(jié)的傳送時間在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)送兩個方向，由于數(shù)據(jù)傳送均在主機控制下進行，且數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送兩個方向的時間大體相等。根據(jù)其數(shù)據(jù)傳送流程，主機發(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)行時間均為1μs，最后一條指令的執(zhí)行時間為等待從機的響應時間為3～8μs，這種方式下一個字節(jié)的傳送時間在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，文中只討論了主動向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)的方式，而沒有討論主動從對方讀取數(shù)據(jù)的方式，這是因為通過簡單的接口協(xié)議可以使對方主動發(fā)送數(shù)據(jù)，從而達到讀取數(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8位端口的使用進行聲明確認的撤銷，這需要執(zhí)行至少4條指令，時間約需4μs，因此，這種試上單字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送時間在11～18μs。當遇上8位數(shù)據(jù)端口使用有沖突時，則數(shù)據(jù)傳送的時間還會受8位數(shù)據(jù)端口被占時間的影響，因而變得不確定。

5 結束語

　　由于MCS51系列單片機已衍生出了許多規(guī)格和型號的產(chǎn)品，且使用起來方便靈活，應用相當廣泛，因此討論它們的一般應用是非常有意義的。MCS51系列單片機的直接并行互連具有一定的實用價值，能簡化許多應用系統(tǒng)的硬件設計。在許多的應用系統(tǒng)中，完全可以把MCS51系列單片機當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，主從并行通信接口中的從機都是這樣使用的。