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