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UM3758-108編/解碼器在串行通信中的應(yīng)用
摘要：介紹一種基于編/解碼器的PC機與多單片機之間的串行通信方法，并對智能卡的設(shè)計進行了說明。該編/解碼器通信方案，軟好地解決了多機系統(tǒng)中作為上位機的工控機對各下位機的尋址問題。關(guān)鍵詞：編/解碼器雙口RAMPC串行通信UM3758-108
在遙測、遙控領(lǐng)域中，常常使用工業(yè)PC機與單片機組成的多機系統(tǒng)完成測控任務(wù)。PC機因其豐富的軟硬件資源和友好的人機界面而被用作上位機，而單片機則因其優(yōu)越的性價比和靈活的功能配置而被用作下位機。上位機和下位機之間通過串行數(shù)據(jù)總線（如CAN總線、RS485總線等）連接，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在進行數(shù)據(jù)傳輸時，一般先由上位機發(fā)出地址幀對指定的下位機尋址，在得到確認(rèn)以后向選中的下位機發(fā)送命令和參數(shù)，或者接收該下位機采集的數(shù)據(jù)。但在多機系統(tǒng)中，進行數(shù)據(jù)通信遇到的一個首要問題是如何區(qū)分總線的地址信息和其它的數(shù)據(jù)信息，這也是各類通信協(xié)議和通信規(guī)約中的一項重要內(nèi)容。由于目前所使用的通信協(xié)議和通信規(guī)約比較復(fù)雜，因此在一個簡單的主從式多機系統(tǒng)中，往往由開發(fā)人員自行定義一些簡單的通信協(xié)議來解決上述問題。本文介紹一種基于編/解碼器的通信方案，較好地解決了多機系統(tǒng)中作為上位機的工控機對各下位機的尋址問題。
1編/解碼芯片UM3758-108A
專用編/解碼芯片UM3758-108A屬大規(guī)模CMOS器件，其引腳排列如圖2所示：A0～A9為三態(tài)編碼地址輸入；D0～D7為二態(tài)鎖存式編碼數(shù)據(jù)輸入或輸出；OSC引腳外接振蕩電阻和電容，其值決定發(fā)送頻率；VSS為電源地；T/R為編碼發(fā)送與編碼收選擇引腳，接高電平時為編碼發(fā)送，接低電平時為接收編碼；IN為編碼脈沖輸入引腳（接收解碼時）；TX/RX外接驅(qū)動電路，為編碼發(fā)送輸出端，該引腳也可作為爭碼接收正確標(biāo)志顯示（RX輸出低電平）；VDD為電源正端（3～12V）。
單片UM3758-108A芯片是一個完整的接口電路，集編碼發(fā)送和解碼輸出于一身。當(dāng)T/R端接高電平時，地址碼A0～A9和數(shù)據(jù)碼D0～D7構(gòu)成一個18位的數(shù)據(jù)幀，從TX/RX端循環(huán)不斷地串行發(fā)送出去；當(dāng)T/R端接低電平時，編碼脈沖由IN端輸入，如果接收的地址碼連續(xù)兩次與本地地址碼一致，接收數(shù)據(jù)將按位傳送到輸出鎖存器中，由D0～D7引腳輸出。同時TX/RX引腳輸出低電平，表示接收正確。
2UM3758-108A在多機通信中的具體應(yīng)用
使用編/解碼器實現(xiàn)PC機與單片機的通信時，需要在PC機和單片機上分別配置編/解碼器，以便完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收。由于上位機不僅承擔(dān)與下位機的通信任務(wù)，還要進行數(shù)據(jù)處理，并以表格或各種圖形方式顯示出來。如果讓上位機直接控制編/解碼芯片，通過并行口進行數(shù)據(jù)收發(fā)，在通信量較大的情況下，勢必會占用上位機的大部分工作時間，導(dǎo)致整機性能下降。因此在通信量較大的情況下，應(yīng)在上位機端設(shè)計一個智能I/O擴展卡，該卡可插到上位機底板的擴展槽上。為了上位機和擴屏卡之間達到更快的信息交換速度，可以采用共享存儲器方式進行數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)的共用存儲器硬件設(shè)計比較復(fù)雜，應(yīng)用范圍較小。本文采用Maxim公司生產(chǎn)的雙端口存儲器DS1609，大大簡化了共用存儲器硬件電路設(shè)計。如圖3所示，DS1609為256字節(jié)雙端口RAM，屬大規(guī)模CMOS器件；具有兩個獨立的端口，各自擁有一套相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線和控制總線；控制信號只有讀、寫和片選，尤其適合于和Intel公司的CPU相連；硬件電路設(shè)計非常簡單。該器件允許兩個端口獨立地對存儲器單元進行存取操作，且由于存儲器內(nèi)部特殊的單元電路設(shè)計，端口雙方同時對同一個單元進行讀操作時無需促裁邏輯；但當(dāng)端以方同時對同一單元進行讀/寫或?qū)?寫操作時，仍會發(fā)生競爭。解決讀/寫沖突的一個簡單辦法是執(zhí)行冗余的讀周期，也可使用“郵箱”傳送狀態(tài)信息方式進行軟件仲裁，這種方法需給每個端口分配一個字節(jié)，用以寫入狀態(tài)信息，以告知對本端正在進行的操作。對于寫/寫沖突，可給雙方分配固定的單元空間，另外，再給每一組數(shù)據(jù)分配校驗和字節(jié)，以確保正確的數(shù)據(jù)交換。圖3中DS1609一側(cè)與89C51CPU相連，另一側(cè)通過三態(tài)緩沖器與擴展總線相連。
圖4為PC機與80C51單片機使用編/解碼器實現(xiàn)通信的示意圖。UM3758-108A的A0～A9是地址輸入端，每位可有三種狀態(tài)：高電平、低電平、開路。利用其不同的組合可產(chǎn)生310種不同的編碼。二態(tài)時也有210種不同的編碼。智能擴展卡需不斷尋址各個下位機，所以利用鎖存器將數(shù)據(jù)輸出給編/解碼器的地址端，以此可靈活地尋址各個下位機。為了簡化起見，圖4中省去了一個鎖存器，將A8、A9直接懸空。UM3758-108A片內(nèi)具有數(shù)據(jù)鎖存能力，無需加鎖存器，但需加雙向緩沖器以收發(fā)數(shù)據(jù)。下位機端的編碼地址用微型開關(guān)SW設(shè)置，也可用鎖存器輸出編碼地址；但這樣做需在下位機工作前，將編碼地址由面板輸入，和其它需要設(shè)定的參數(shù)一起保存在存儲器（如EEPROM）中，然后再由鎖存器輸出。后者增加了下位機地址編碼的靈活性，但也加重了編程負(fù)擔(dān)。圖4中，智能I/O擴展卡用74LS273作為擴展接口，以鎖存要尋址的下位機地址，用74LS245收發(fā)數(shù)據(jù)。P1.0為發(fā)送數(shù)據(jù)選擇端：P1.0為低電平時，接口處于接收狀態(tài)；
為高電平時，處于發(fā)送狀態(tài)。因此，初始化時，上、下位機的兩個接口均應(yīng)置成接收狀態(tài)。每個接口的TX/RX端除了作為發(fā)送端外，還作為該接口接收正確與否的狀態(tài)指示端。如果接收正確，該接口輸出低電平；否則，為高電平。此端口可作為向CPU發(fā)出中斷請求的信號。為此，發(fā)送數(shù)據(jù)時，應(yīng)先關(guān)閉接收中斷，發(fā)送完畢，再打開接收中斷。
該通信為半雙工方式，且只能由上位機發(fā)起，下位機不主動申請通信。當(dāng)處于輪詢狀態(tài)時，上位機根據(jù)下位機的編碼地址，向下位機發(fā)送呼叫幀。每臺下位機都由編/解碼器接收并判斷，但只有地址相符的下位機才發(fā)生中斷接收數(shù)據(jù)，并建立和上位機的聯(lián)系，以此接收上位機的命令和參數(shù)，或?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)上傳。由于這種通信方式無差錯控制，因此應(yīng)根據(jù)傳輸速率，精確定時，保證每個發(fā)送周期相同的編碼信號連續(xù)發(fā)送3次，以提高通信的可靠性。
使用編/解碼器實現(xiàn)PC機與單片機的通信，波特率設(shè)置為2400baud，通信距離可達5km以上；不僅可用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、LED屏幕顯示系統(tǒng)等有線通信方式，也可采用紅外（IR）、超聲波（US）等用于無線通信方式，以此可突破地理因素的局限。這種通信方式不僅傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性通強、可靠性高、成本低，而且連接簡單、使用方便；通信過程僅僅是讀寫I/O口的簡單操作，編程簡單，易于實現(xiàn)。
圖4
結(jié)語
本文提出了一種適用于PC機與多單片機之間的串行通信實現(xiàn)方法。該方法采用UM3758-108A編/解碼芯片實現(xiàn)雙工傳輸，采用DS1609芯片實現(xiàn)智能卡和上位機的批量數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理功能的分離，使它們各司其職，保證了系統(tǒng)的實時性，也有效解決了上位機對下位機的尋址問題。另外，該方式有很寬的適用范圍，具有一定的應(yīng)用價值。
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