基于双C8051F020微控制器的应用系统
0 引言
由于MCU（微控制器）在可靠性、体积、功耗、性价比等方面都具有明显的优势，所以由其组成的上下位机形式的仪器（下位机部分），已经在许多工业控制和数据采集系统中得到广泛应用。在实际应用中，如果一片MCU芯片的功能不能满足实际需求时，就需要进行扩展。在本文中，我们使用两片C8051F020微控制器通过SMBus(System Management Bus)系统管理总线进行扩展，使其满足了15路模拟量输入（AD）、6数字量输入、2路开关量输出以及1路PWM波输出的设计要求。
1 系统硬件构成
整个系统的装置示意图如图1所示。我们选择美国Silicon公司的微控制器（MCU）C8051F020（简称F020）作为应用系统的CPU。F020是一种混合信号SOC型8位单片机，它有一个8通道的、转换速率为100Kbps的12位ADC，以及一个8通道的、转换速率为500Kbps的8位ADC；2个12位DAC；64KB FlashRom,4KB RAM；有22个中断源和5个定时器/计数器；内部有两个增强型全双工UART、SPI总线和SMBus总线[1]。
CP2101是美国Silicon公司推出的USB-UART桥接电路。该电路的集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，全部功能集成在一个5mm ´5mm IC中。
图2典型的SMBus配置
在PC机上安装CP2101的驱动程序以后，CP2101就作为PC机的一个虚拟 COM 口 (VCP)，对它的操作与对PC机的COM口操作完全一样，因此无需修改现有的 COM 口应用就可以实现通过 USB 向基于CP2101 的器件传输数据，保证了对已有的串口通讯程序的兼容。其数据传输的波特率范围为300b/s～921.6kb/s[2]。
2 SMBus总线
SMBus总线标准最早由Intel公司于1995年发布，它以Philips公司的I2C总线为基础，面向于“不同系统组成芯片与系统其他部分间的通讯”[3]。SMBus接口的工作电压可以在（3.0～5.0）V之间,总线上不同器件的工作电压可以不同。SCL串行时钟线和SDA串行数据线是双向的，因此两条线上都需要上拉电阻或类似电路将它们连到电源电压，在没有数据传输时，两条线都处于高电平。典型的SMBus配置如图2所示。SMBus采用多种线路条件作为器件的握手信号。在一次数据传输过程中，SDA只能在SCL为低电平时改变。在SCL为高电平时，SDA发生改变则开始和停止信号。
图3一次典型的SMBus数据传输过程
SMBus协议有两种可能的数据传输类型：从主发送器到所寻址的从接收器（写）和从被寻址的从发送器到主接收器（读）。这两种数据传输都由主器件启动，主器件还提供串行时钟。一次典型的SMBus数据传输包括一个起始条件（START）、一个地址字节（位7-1：7 位从地址；位0：R/W 方向位）、一个或多个字节的数据和一个停止条件（STOP）。每个接收的字节（由一个主器件或从器件）都必须用SCL高电平期间的SDA低电平来确认（ACK）。如果接收器件不确认，则发送器件将读到一个“非确认”（NACK），这用SCL 高电平期间的SDA高电平表示。
所有的数据传输都由主器件启动，可以寻址一个或多个目标从器件。主器件产生一个起始条件，然后发送地址和方向位。在数据传输结束时，主器件产生一个停止条件，结束数据交换并释放总线。图3示出了一次典型的SMBus数据传输过程[1]。
3 系统通信的设计
系统的任务主要对模拟量进行AD转换，对数字量进行计数，并将这些数据最终要传给上位微机进行显示与数据处理，上位机根据其处理结果控制PWM波的频率及占空比。
3.1 上下位机的数据通信[4-5]
由于我们使用了USB-UART桥接电路CP2101，因而上下位机的程序仍是按照UART形式编写。为保证双方传输的数据准确可靠，程序中使用软件握手：上位机首先给下位机传波特率参数,其值为600H，300H,180H,C0H,60H,0CH之一，下位机对收到波特率参数进行验证，如果为其中之一，则发送字节AAH给上位机，并更新下位机波特率，反之认为是噪声干扰，丢弃此数据，再重新等待接收。上位机收到AAH字节后，就更新新的波特率，然后向下位机发送控制命令子，如采样通道选择，单端方式还是差分方式，开关量的状态，采样周期和采样时间等，以及是否要求从下位机工作，如果要求从下位机工作，还要正确建立主从下位机的通信，之后再向上位机发应答字节55H。协议还采用超时重发功能，可自动连接5次。
3.2 主从下位机的SMBus通信[6]
为使SMBus通信程序便于编写，我们规定第1片为主片，第二片为从片。SMBus的工作由下列寄存器中的内容决定：状态寄存器(SMB0STA)、控制寄存器 (SMB0CN)、地址寄存器(SMB0ADR)和数据寄存器(SMB0DAT)。要通过SMBus通讯协议实现两片芯片之间的数据通信，关键在于如何利用单片机中的状态寄存器中的状态码，通过软件编程来实现对状态码的查询。每一个状态码都对应一个当前的通信状态和将要执行的操作，因此，根据所得到的状态码来确定当前的通信状态，以实现相互间的通信。
在编程时，SMBus通信协议是利用中断查询状态码的方式实现的，为使双方的通信可靠，也规定了软件握手：初始化后，从片等待主片的命令字节33H，从片收到33H后给主片发CCH应答字节，主片收到CCH字节后，根据上位机要求给从片发送相应的命令字节（采样周期，采样时间，采样通道，开关量状态等），然后发送BBH字节个主片，并启动相应AD转换，主片收到BB后才进行AD转换，保证主片与从片对模拟量的同步采样。
4 系统软件设计
考虑到系统灵活性，我们编程使得通道选择、采样时间、采样周期、数字量输入、开关量的控制、PWM波的频率及占空比、从下位机的工作情况等由用户在上位机上指定，然后以命令字传给下位机，具体为：用4个字节分别表示两片MCU的AD通道是否被选中，每个字节位上为1表示该通道被选中，否则不选该通道。用3个字节存放采样周期，其最小单位为10微妙，5个字节存放采样时间，一个字节用于开关量，2个字节用于存放PWM波的频率，2个字节用于存放占空比值，1个字节用于表示数字量输入是否被选中。对于输入的数字量，输入是涡轮流量计来的脉冲，输入脉冲数的确定是采样引脚电平变化的方法来确定的。为保证小流量时的精度，按4秒钟所计脉冲数，通过其转换关系来确定流量。其中引脚电平采样的时间设为100微妙。
为减轻下位机的任务，其采集的原始数据直接送给上位机进行处理，保证下位机有高的采样速率和高的传输速率。图4给出了下位机主片的工作流程图。
5 结束语
我们使用了自身带有AD转换电路及SMBus通信总线接口C8051F020微控制器，实现了两片MCU之间数据的高速可靠的数据通信。而且还使用了USB-UART桥接电路，保证了下位机与上位机有高的数据传输率。并且，在上位机软件设计时考虑到应用系统的通用性，可根据实际需求选用不同的传感器，并在上位机上进行相应的选择，就能得到所需的测量数据及曲线，使得该应用系统有较强的通用性。
参考文献：
[1] 潘琢金，施国君. C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[2] CP2101数据手册. http://www.xhl.com.cn
/xhl/downfile/CP210x.pdf.
[3]谢瑞和.串行技术大全.北京：清华大学出版社,2003.4 .
[4] 陈建平,姚凯学,等. 通用动态测试系统的设计与实现. 贵州大学学报(自然科学版), 2004,
21(1):79-82.
[5] 范逸之 陈立元. Visual Basic 与RS-232串行通信控制[M]，北京：中国青年出版社，2002.
[6] 王力，王开和，等. 基于C8051F的SMBus实现多点测温系统. 天津科技大学学报,2004，19（3）：
39-41.
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