面向小型全自動生化分析儀的同步可靠的UART通信

1、    面向小型全自動生化分析儀的同步可靠的UART通信        張洪輝1,2, 黎海文1, 高春海1,2, 吳一輝, 宣 明1 時間:2010年04月21日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        摘  要：關鍵詞： 

2、60;  為了提高小型全自動生化分析儀的工作效率，其控制系統(tǒng)需采取并行處理的策略，以單個單片機為核心的單處理器因其功能的局限性，已不能完成多任務的并行處理。采用雙單片機的控制方案可以提高系統(tǒng)的性能，但必須為雙機通信提供穩(wěn)定可靠的方案。 在傳統(tǒng)的8位、16位及32位處理器中，一般都帶有UART串行口。傳統(tǒng)基于UART的數據通信有2種方式：查詢方式和中斷方式。查詢方式下CPU的負擔較重，浪費了處理器資源，不能夠及時處理其他事件1;另外，因發(fā)送端與接收端不能同步，當數據需要接收而接收端未及時響應時，就導致數據的丟失，造成通信不可靠。中斷方式可以在接收到或者發(fā)送完數據時產生中斷，在中斷服務進

3、程中完成數據存儲與處理。由于中斷方式下CPU利用率較高，也能夠實現發(fā)送與接收的同步1，因此在CPU任務簡單的系統(tǒng)中，一般采用中斷方式實現UART數據通信。但是小型全自動化生化分析儀控制系統(tǒng)需要實現多電機位置的閉環(huán)控制、多傳感器的數據采集及處理、病人資料的傳輸處理等任務，采用中斷方式的UART通信時，一方面帶來中斷的優(yōu)先級分配問題，當系統(tǒng)處于更高優(yōu)先級的中斷處理子程序中時，導致串行通信的中斷不能及時被響應，造成數據丟失;另一方面為協調雙處理器間各部件的協同工作，有時不允許程序的正常執(zhí)行流程被打斷，禁止中斷響應。為了保證串口通信的可靠性與穩(wěn)定性，在設計小型全自動生化分析儀的控制系統(tǒng)時,采用了基于3

4、次等待握手協議的同步、可靠的UART通信。本文將分別從物理層、傳輸層與應用層介紹等待握手協議在同步可靠的UART通信中的實現。1 物理層 物理層實現通信底層的物理連接，為數據端設備提供傳送數據的通路，其作用是確保比特流能在物理信道上傳輸2。物理層的連接由單片機的異步通信端口(UART串口)實現。1.1 異步通信簡介3-4 在異步通信中，數據是以字符為單位組成字符幀進行傳送的。發(fā)送端與接收端分別按字符幀規(guī)定的格式和波特率來協調數據的發(fā)送和接收。字符幀和波特率可以由用戶根據實際情況選擇。    字符幀由起始位、數據位、停止位和空閑位4部分組成，如圖1所示。1.2 C8

5、051F060的UART    C8051F060 是SiLab公司推出的混合信號系統(tǒng)芯片，是高度集成的片上系統(tǒng)，具有高速指令處理能力3。C8051F060有2個UART口，并沒有分配在固定的I/O端口上，而是需要通過優(yōu)先權交叉開關譯碼器進行分配?！敖徊骈_關”按優(yōu)先權順序將端口03的引腳分配給器件上的數字外設。C8051F060的UART串口與端口的連接有多種形式，靈活可靠。2 傳輸層 傳輸層實現數據流的傳輸，并負責傳輸控制，具備流量控制的功能。其目的是為應用層提供可靠無誤的數據傳輸。傳輸層的服務要經歷傳輸連接建立階段和數據傳送階段2。該層由軟硬件結合實現。硬件實

6、現傳輸線路與控制線路的連接，軟件對其進行設置和控制。2.1 傳輸層的硬件電路設置 傳輸層的數據傳輸線路為物理層的UART串口，其傳輸連接的建立、傳輸流量的控制則通過單片機的另外2個獨立I/O口，用于實現3次等待握手協議。電路設計的原理為：發(fā)送端單片機UART口的TX0和RX0分別連接到接收端單片機的UART口的RX0和TX0。在每1個單片機上分別使用2個I/O端口用于握手信號的發(fā)送和接收。其電氣連接如圖2所示。2.2 傳輸層的軟件設計原理    為實現數據通信的同步和提高通信的可靠性，傳輸層采用3次等待握手協議實現數據的實時同步通信。協議的原理如圖3所示。 協議的

7、原理如下：    (1)當發(fā)送端要發(fā)送數據時，發(fā)出第1次握手信號，通知接收端，第1次握手信號始終有效，直到收到接收端對第1次握手信號的應答信號，即第2次握手信號。當發(fā)送端接收到第2次握手信號后，使第1次握手信號無效，發(fā)出對第2次握手信號的應答信號，即第3次握手信號，并隨即發(fā)送數據。至此，3次握手協議完成，發(fā)送端與接收端實現了數據的同步傳輸。 (2)當接收端要接收數據時，首先等待發(fā)送端發(fā)出的第1次握手信號，當發(fā)送端發(fā)送第1次握手信號后，表明發(fā)送端已經準備好要發(fā)送數據，接收端將第2次握手信號持續(xù)一段時間后清除，等待第3次握手信號。檢測到第3次握手信號后，隨即開始接收數

8、據。至此，3次握手協議完成，發(fā)送端與接收端實現了數據的同步傳輸。2.3 傳輸層的軟件實現 傳輸層的軟件與硬件電路密切相關，傳輸層的軟件質量的好壞決定了最終應用層軟件的質量。在傳輸層的軟件實現中,與硬件相關的系統(tǒng)初始化尤為重要。系統(tǒng)上電后，首先要進行的就是初始化，初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、EMIF初始化、定時器初始化、端口初始化以及交叉開關的配置等?？梢酝ㄟ^設置相應的特殊功能寄存器(SFR)來進行。由于篇幅所限，這里主要介紹關鍵初始化模塊：端口初始化與UART初始化。系統(tǒng)的初始化分為主機的初始化與從機的初始化部分。 端口初始化的關鍵是合理地分配C8051F060的數字外設，使其依據硬件電路的設計

9、，對交叉開關進行配置，并設置相應的端口輸入輸出類型。主機端口初始化中交叉開關配置部分的程序如下：void  MasterPORTInit (void)            OldSFRPAGE = SFRPAGE;       SFRPAGE = CONFIG_PAGE;             

10、   /切換頁面地址       XBR0 = 0x02;                                    /SPI0連接到端口     

11、                          /腳P0.0P0.3       XBR1  = 0x00;       XBR2  = 0x44;       &#

12、160;                          /弱上拉全局禁止，交叉                              

13、0;                              /開關使能， UART連接到P0.4P0.5       SFRPAGE = OldSFRPAGE;         

14、0;     /恢復頁面地址   從機的端口初始化與主機的端口初始化原理相同，這里不再累述。    UART初始化主要包括時鐘源的選擇、工作方式的選擇，邏輯電平的選擇及處理中斷的方式等，其中主機的UART初始化程序如下：void  MasterUARTInit(void)    OldSFRPAGE = SFRPAGE;    SFRPAGE = UART_PAGE;     /切換頁面地址 &#

15、160;  SCON1 = 0x40;                      /波特率可編程的8位UART,                                        

16、;        /停止位的邏輯電平被忽略，                                           

17、    /禁止接收，清空發(fā)送及接收中斷標志    SFRPAGE = OldSFRPAGE;            /恢復頁面地址    傳輸層數據傳輸軟件實現元數據傳輸的功能，在這里實現傳輸層的3次握手協議。依據3次握手協議的設計原理，主機發(fā)送軟件的實現如下：    while(P0_6=1)         

18、60;  /等待第2次握手信號    P0_7=0;                      /發(fā)出第1次握手信號    Delay1us(1);      /延時1 ?滋s    P0_7=1;       /發(fā)送第3次握手信

19、號    工作時序為：當主機需要發(fā)送數據時，首先將P0_7設置為低，即為第1次握手信號，從機檢測到該信號后，知道主機將發(fā)送數據，于是發(fā)出第2次握手信號，將與主機P0_6相連的引腳置低。主機檢測到P0_6為低電平，即第2次握手信號后，將發(fā)出第3次握手信號，即把P0_7設置為高電平，并隨即發(fā)送數據。    從機接收數據時的軟件實現如下：    while(P5_5=1)             

20、60;   /等待的第1次握手信號    P5_4=1;       P5_4=0;                           /發(fā)出第2次握手信號    Delay1us(1);   &#

21、160;P5_4=1;        從機的P5_4、P5_5分別連接主機的P0_6、P0_7。當從機接收數據時，首先等待主機發(fā)送的第1次握手信號，即主機的P0_7端口（從機的P5_5端口）為低電平。若檢測到第1次握手信號，則發(fā)送第2次握手信號（即將P5_4置低），隨即將P5_4拉高，檢測到第3次握手信號后開始接收數據。為實現軟件的簡便性，減少編程出錯的概率，本文定義了2個宏來完成上述握手的過程。宏定義如下：    #define Send while(P0_6=1)P0_7=0;  

22、  Delay1us(1); P0_7=1;          /主機發(fā)送的宏定義    #define Receive  OldSFRPAGE=SFRPAGE;    SFRPAGE=CONFIG_PAGE;while(P5_5=1)P5_4=1;    P5_4=0;Delay1us(1);P5_4=1;    SFRPAGE=OldSFRPAGE;  

23、         /從機接收的宏定義    主機發(fā)送與從機接收元數據的函數分別如下：void  MasterSendUART (Uchar sdata)        Send;                      

24、60;                           /完成握手協議        OldSFRPAGE = SFRPAGE;               /寄存器頁面切換       

25、; SFRPAGE = UART_PAGE;        TI1 = 0;                                            /清除發(fā)送完成中斷標志     &#

26、160;  SBUF1 = sdata;                                  /發(fā)送數據        while(TI1=0);     

27、                             /等待發(fā)送完成        TI1 = 0;             

28、                               /清空發(fā)送完成標志        SFRPAGE = OldSFRPAGE;         Uchar Slaver

29、ReceiveUART(void)        Receive;                                       

30、60;    /完成握手協議        OldSFRPAGE = SFRPAGE;        SFRPAGE = UART_PAGE;                /寄存器頁面切換        SCON1 = 0x50;

31、0;                                 /允許接收，清空接收完標志        while(SCON1&0x01)=0);             &

32、#160;     /等待接收完成        ReData = SBUF1;                                 /接收數據        SCON

33、1 = 0x40;                                   /清空接收及發(fā)送完成標志位        SFRPAGE = OldSFRPAGE;        return ReData;