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單片機以其高可靠性和高性價比在工業控制、數據采集系統、智能化儀表、辦公自動化等諸多領域得到極為廣泛的應用。在測控系統中，有時對單片機系統的可靠性有非常嚴格的要求。除了在系統設計、生產中采用多種措施以提高其可靠性之外，雙機熱備份是一種非常有效且經常被采用的方法。在雙機熱備份系統中，兩個單片機必須保持工作狀態的完全一致，需要隨時進行數據交換。通常可以使用多單片機信息共享技術來實現兩個單片機的數據交換，如信箱存儲系統、共享存儲器等，但這些方法實現復雜，硬件成本高1。大多數單片機都提供通用串行收發器(UART)，在單片機系統不與其他設備(如上位機)進行通信的情況下，使用UART是非常方便的，但不幸的是絕大多數情況下UART已被使用。當然也可以擴展串行和并行通信接口，但硬件成本又會增加。因此，在滿足系統性能的條件下，充分利用單片機本身的資源，最大程度地簡化內部通信的接口設計非常值得研究。在單片機家族的眾多成員中，MCS-51單片機以其優越的性能、成熟的技術、高可靠性和高性價比，在工業測控領域中有著廣泛應用，本文即以MCS-51單片機為例?給出兩種雙機通信的簡化接口設計。 1 通過單片機的P0口進行內部通信 這種通信接口可以在只使用一片74LS245的情況下獲得較高的傳輸速率。圖1給出了這種接口的簡單示意圖。總線收發器74LS245接在兩個單片機的P0口之間，作為內部數據傳輸的通道。P0口既是分時的地址/數據總線，又可作為I/O口使用。由于P0口為開路輸出，作為I/O口應用時應加上拉電阻，為了簡潔，圖1中未畫。總線收發器的使能端和方向控制端DIR均受邏輯控制單元控制。邏輯控制單元的輸入是P1口的三根口線，和指示單片機運行情況的兩個信號U1ERR和U2ERR。為方便起見，先將邏輯控制單元的邏輯方程寫出。 U2P12＝U1P11?U1ERR U1P12＝U2P11?U2ERR E＝(U1P13+U2P13)?U1ERR U2ERR DIR＝U1P13 U2P13 U1ERR和U2ERR指示單片機的運行狀態，通常反映ALE信號的有無。這里約定U1ERR和U2ERR為0時表示單片機正常運行(即有ALE信號)。U1P12、U1P11、U2P12、U2P11用來進行單片機之間的聯絡，約定高電平有效。任一單片機發生故障，則其P1.1的信號無法傳到另一單片機的P1.2端。DIR受兩個單片機的P1.3控制，決定數據是由單片機1送往單片機2還是由單片機2送往單片機1。也受兩個單片機的P1.3控制，但同時受U1ERR和U2ERR控制，任一單片機發生故障，則為1?74LS245被關閉。 1.1 工作原理 以單片機1請求傳送數據給單片機2為例，其工作過程如下： ?1 單片機1將其P1.1置1，表示請求發送數據，同時將其P1.3置1? ?2 單片機2檢測到其P1.2口的高電平后，將其P1.1置為高電平，表示響應數據發送請求，同時也將其P1.3置1。這時74LS245的為0?DIR為1，數據可以從單片機1的P0口送往單片機2的P0口? ?3 單片機1將要傳送的數據送上P0口，并將其P1.1置為0，表示一字節數據發出? ?4 單片機2檢測到其P1.2的低電平后，將數據從P0口讀入，并將其P1.1置為0，表示數據已被接收? ?5 單片機1檢測到其P1.2的低電平后?可以開始下一字節的傳送或結束傳送。 數據由單片機2送往單片機1的過程與上類似，只不過單片機1在接收到數據傳送請求后是把其P1.3置為低電平?以使74LS245的DIR為低電平?數據傳送方向與上相反。與圖3給出的電路相比，這種設計方式有著更高的傳輸速率。 1.2 接口電路說明 圖1所示電路是為敘述方便而簡化的，應用中可以根據實際情況重新設計。因此，上述電路及方程都不是唯一的。 但此類電路需共同遵循的原則是： (1)使用總線收發器以進行數據的并行雙向傳送； (2)總線收發器的使能端和方向控制端受邏輯控制電路的控制，且能在不進行數據傳送和單片機故障時，使總線收發器處于關閉狀態； (3)兩個單片機應有聯絡信號，以決定什么時候進行內部數據通信。 按照以上原則，實際電路是多種多樣的。控制信號除了可以使用P1口的口線外，P3口未用的口線以及P2口未用的高位地址線也可以使用。例如，可以使用P3口的一根口線輸出聯絡信號，而聯絡信號的輸入接到單片機的外部中斷輸入端，這樣單片機以中斷的方式響應內部數據傳送請求，可以進一步提高傳送速度。 邏輯控制單元可以由門電路構成，但許多情況下都使用可編程邏輯器件如GAL降低整個系統的成本，提高可靠性。 圖2是筆者設計的接口電路在數據采集系統中的應用實例?為簡潔?未畫出P0口所需的上拉電阻 。在這個系統中?P1、P3口全部被占用，且擴展了2K字節的外部靜態RAM，系統需要對16路數字輸入量進行采集。因此，邏輯控制使用P2口的高位地址線A13A12A11 A12A11為00～10時選通存儲器和輸入通道。邏輯控制單元使用了一片GAL16V8。GAL16V8兼做地址譯碼器，實現對靜態RAM和輸入通道的選通(圖中只畫出了與內部通信相關的輸出)。GAL16V8的邏輯方程中與內部通信相關的六個方程如下(按FAST-MAP格式)?2： U1P27＝U2P26 U1P27.OE＝/U2ERR U2P27＝U1P26 U2P27.OE＝/U1ERR 245E＝U1A12 U1A11 U2A12 U2A11 245DIR＝U1A13 U2A13 由上述邏輯方程可以看出，只有兩個單片機成功地進行聯絡后才能打開總線收發器進行數據傳送。當一個單片機出現故障后其聯絡信號被GAL置為高阻狀態?另一單片機不能與之聯絡，總線收發器處于關閉狀態?不會影響正常單片機的工作。 2 通過單片機的UART進行內部通信 當單片機的UART被用于與其他設備?如上位機 進行通信時?可以分時用于內部通信。這種設計方法硬件電路最為簡單。為提高通信距離和防止干擾，單片機系統與其他設備的通信多使用RS-485通信。下面以此為例介紹內部通信接口的設計。圖3直接示出了這種接口的一個電路實例。 2.1 工作原理 兩個單片機與其他設備的通信通過RS-485收發器SN75174進行，圖3中U1ERR和U2ERR的含義同圖2。IT1、IT2是內部通信聯絡信號，TE1、RE1分別是單片機1控制外部RS-485通信的發送和接收信號，TE2、RE2與此類似，皆使用P3口的I/O口線。其內部通信接口由一片GAL16V8實現。GAL16V8完成以下功能： ①為兩個單片機提供三態的內部通信接口，當其中一個單片機出現故障時即阻塞內部通信接口； ②為兩個單片機提供聯絡信號，當其中之一要求進行通信時，及時通知另一個單片機； ③對兩個單片機的對外通信接口進行控制，內部通信時將單片機與RS-485總線隔離。 為敘述方便，現將GAL的邏輯方程中與此相關的部分以FAST-MAP的格式給出： RXD1＝TXD2 RXD1.OE＝IT1 IT2 RXD2＝TXD1 RXD2.OE＝IT1 IT2 IT1＝/TE2 RE2 /U2ERR IT2＝TE1 RE1 /U1ERR TE10＝TE1 /U1ERR TE20＝TE2 /U2ERR 假設單片機1發起與單片機2的內部通信?其工作過程如下? ①單片機1禁止對外數據收發。即使得TE1為低電平?RE1為高電平，從而使得IT2為高電平，向單片機2提出內部通信請求； ②單片機2在檢測到單片機1的內部通信請求后，禁止對外數據收發，使得TE2為低電平?RE2為高電平，從而使得IT1為高電平，響應單片機１的內部通信請求，這時，兩個單片機的串行數據收發通過GAL互連，內部通信接口打開； ③單片機1在檢測到IT1為高電平后，通過串行口發送數據； ④通信完成后，兩個單片機打開對外的數據收或數據發，從而使得內部通信接口處于高阻狀態。 從上述方程和通信過程可以看出，內部通信和外部通信是分時進行的，且互相隔離，互不干擾。當一個單片機出現故障后，由于使用了U1ERR和U2ERR信號，相應的內部通信聯絡信號總是無效的，對外數據發信號也是無效的，從而使得內部通信接口總是處于高阻狀態，且不會發送數據到RS-485總線。因此不會影響另一個單片機的對外通信和與故障單片機相連的RS-485總線。 2.2 接口電路說明 可編程邏輯器件在單片機系統中的應用是系統設計的發展方向，本文以GAL為例介紹接口的設計，但只要能完成上述的邏輯功能，也可以使用其他器件。而且，單片機與其他設備的通信也不一定是RS-485通信，但電路的設計與此類似。這類接口電路都需解決的問題是? ①內部通信應在單片機與其他設備通信的間隙進行，避免數據丟失； ②內部通信與外部通信的信號應良好隔離，防止相互干擾； ③當一個單片機出現故障時，應當自動與另一個單片機隔離，防止通過內部通信接口影響另一個單片機的對外通信。 上述第一個問題可以根據通信協議由軟件解決，后兩個問題由硬件電路解決。 本文給出了內部通信接口的兩種簡化設計方案，同時給出了電路實例。設計中GAL不是專為接口電路而設的，可以與其他邏輯功能合并使用。兩種通信接口在筆者設計的多個單片機系統中得到了應用，實際應用證明達到了簡化設計、降低成本、降低系統復雜度的目標，具有一定的實用價值。 |
