基于多单片机的串口扩展设计论文

2021-04-20 论文

　　1 前言

　　笔者在用单片机开发一款称重仪表时，功能较多，对串口的需求很高。需要的串口数量多，至少要五个串口，包括称重传感器通信串口，电脑上位机通信串口，GIM900A 通信串口，大屏幕数码管显示的通信串口，打印模块的通信串口等。而且对串口要求稳定性高，大部分串口都要求实时双工通信。根据实际情况和产品串口需求，采用不用的方法进行串口扩展，主要用到了模拟串口和多单片机实现串口扩展。

　　2 串口扩展的一般方法

　　(1)模拟串口。模拟串口利用其他单片机引脚模拟串口收发时序进行串口扩展。这种串口扩展，缺点比较明显，通信速率慢，可靠性不高，占用CPU 资源较多。高速双工通信时一般不用此方案进行串口扩展，低速情况下可以考虑。笔者的项目中大屏幕数码管显示就用了这种方案，显示的时候只发不收，单向通信，波特率要求低，最高不过9600bps。

　　(2)利用专门的串口扩展芯片处理。串口扩展芯片进行串口扩展，通信稳定性高，能达到一般的串口要求。市场上的串口扩展芯片，性能不同，价格也不一样，但普遍成本较高，少则二三十元，多则七八十元，不利于产品的成本控制。串口需求较多时，一块串口扩展芯片上串口数量不足，还需要多块串口扩展芯片级联，更增加了成本。

　　(3)利用多串口单片机。目前市场上有多串口的单片机，很多低成本单片机都自带两个串口，比如stc12 多串口系列。用三串口及其以上的单片机成本更贵。

　　(4)基于多单片机的串口扩展设计。在一定成本要求下，结合目前单片机产品自身的优势，利用多单片机进行串口扩展，也是一种串口扩展的方案。一般c51 系列单片机自带双串口的只要几元钱，完全可以把单片机用来做串口扩展，而且有的单片机自带spi 通信接口，可以很方便的实现主从单片机之间的级联和通信，同时双单片机工作时，可以利用从单片机处理一定的程序，减轻主单片机的负担，达到“双核”效果。

　　3 基于多单片机的串口扩展设计

　　3.1 串口扩展系统框图

　　整个系统由两块单片机构成主从结构，主机完成产品的大部分功能，从机只是进行了串口扩展，扩展出了两个双工硬件串口，如果有需要，也可以分担部分主机的其他功能。两者之间通过SPI 硬件接口通信，该硬件SPI 总线是一种全双工、高速、同步的通信总线，支持主模式和从模式两种操作模式，主模式中支持高达3Mbps 的速率，完全可以完成主机和从机之间的可靠通信。主机和从机的串口通信，和一块单片机使用时的用法一样，只是先要经过SPI 传输。当需要向从机串口发数据时，先要通过主机的`SPI 通信送给从机，再通过从机串口发给外围模块;当需要接收从机串口数据时，先从机接收到串口数据，从机再利用SPI 传输给主机。在进行软件开发时，只要定义好主机和从机的SPI 通信协议，即可完成可靠的串口数据收发。

　　3.2 主机和从机之间的SPI 通信

　　主机和从机串口之间需要SPI 通信做桥梁，因此主从机之间的SPI 通信显得极其重要，必须要求高速、可靠、实时，一次SPI 采用中断完成。主机部分需要用到常用的四个函数，即主机SPI 初始化，SPI 主从机之间的数据交换，向从机发送数据，主机SPI 中断接收等。

　　1) 主机SPI 初始化：

　　SPDAT=0;

　　SPCTL=0xfd;

　　SPSTAT=0xc0;

　　IE2=IE2 | 0x2;

　　2) 主机SPI 数据交换

　　SPDAT = dat;

　　while (!(SPSTAT & SPI_SPIF));

　　SPSTAT = 0xc0;

　　return SPDAT;