基于A(yíng)VR微控制器的多機系統

用戶(hù)總是希望產(chǎn)品恰好滿(mǎn)足自己的需求，在采集、測量等行業(yè)尤其如此。有的用戶(hù)希望買(mǎi)到的儀器能夠增加更多的功能；而需求單一的用戶(hù)卻不希望買(mǎi)到功能繁多而自己使用不上的設備。這就需要產(chǎn)品具有功能的可擴展性和可裁減性，同時(shí)該功能的引入或裁減不會(huì )影響到設備其他的功能，還要保證設備工作的可靠性。

多機系統就是為滿(mǎn)足這一需求而設計的。本文所研究的多機系統是指多個(gè)功能獨立的微控制器可以相互通信，由一片主控微控制器進(jìn)行統一管理，并利用各種通信方式來(lái)協(xié)調各獨立微控制器的工作。利用該多機系統設計的多功能測試儀器性能穩定，由于其具有可擴展性和可裁減性，可以為不同的用戶(hù)提供不同的功能。

設計通用型多機系統平臺在選擇微控制器上要考慮眾多因素，如功能性、穩定性、易用性和價(jià)格等。本文中的多機系統選擇AVR微控制器主要基于以下幾方面因素：主控微控制器ATmega128具有雙串口，可以給從機和PC端各分配一個(gè)，128kb的Flash容量足夠編程使用，PWM等功能可供擴展使用；從機系統使用的ATmega8是一款性?xún)r(jià)比優(yōu)越的微控制器，可滿(mǎn)足采集、測量等多種領(lǐng)域的需求，同時(shí)聯(lián)合ATmega128開(kāi)發(fā)可以使用相同的開(kāi)發(fā)工具，從而降低了開(kāi)發(fā)成本。由ATmega8和ATmega128組成的多機系統系統如圖1所示。

總線(xiàn)的設計

總線(xiàn)設計力求達到硬件簡(jiǎn)單、使用方便、接口可帶電插拔等要求。由于A(yíng)Tmega8及ATmega128都具有自己的串口，于是在總線(xiàn)設計上采用四線(xiàn)制：串口接收線(xiàn)、串口發(fā)送線(xiàn)、電源線(xiàn)和地線(xiàn)。

為了增加ATmega128的驅動(dòng)能力，它與總線(xiàn)的接口用反向器74LS14通過(guò)兩級反相來(lái)實(shí)現，電路如圖2所示。
從機ATmega8總線(xiàn)接口部分，除了用反相器74LS14兩級反相驅動(dòng)數據線(xiàn)外，為了保證通信的可靠性，還在串口收發(fā)兩條線(xiàn)上各加一個(gè)光耦6N135，電路如圖3所示。耦合傳輸信號避免了直接的電氣連接，實(shí)現了隔離作用，保證了通信傳輸的可靠性。

ATmega128與PC的通信電路如圖4所示。利用ATmega128雙串口的特性，利用其中一個(gè)串口與PC通信，電平轉換芯片采用MAX232，同時(shí)也增加光耦器件6N135來(lái)提高系統抗干擾的能力。

圖4 ATmega128與PC的接口

通信協(xié)議

根據系統的要求，通信協(xié)議應保證各部分通信的可靠性，為未來(lái)可擴展部分預留余量，而且通信協(xié)議要盡可能簡(jiǎn)單，通信數據量盡可能少，從而提高通信的速度。為滿(mǎn)足以上要求，通信協(xié)議采用4字節為一個(gè)完整的數據幀，具體主機從機各自數據幀格式如表1所示。

對于A(yíng)Tmega128與ATmega8組成的主從機系統而言，ATmega128是主機，它可以同時(shí)對多達16個(gè)ATmega8從機進(jìn)行控制。對于PC與ATmega128組成的主從機系統，PC則扮演主機的角色，它可以同時(shí)對多個(gè)ATmega128進(jìn)行控制。如果PC要對某一ATmega128 下的ATmega8進(jìn)行控制，它就必須先發(fā)命令給對應的ATmega128，再通過(guò)ATmega128對具體ATmega8的控制來(lái)實(shí)現。

系統性能測試

筆者以該多機通信系統為平臺搭建了8項家用電器測試系統，測試項目包括耐壓測試、泄漏電流測試、接地電阻測試、絕緣電阻測試、功率測試和低壓?jiǎn)?dòng)測試。每片ATmega8實(shí)現兩項測試功能，三片ATmega8通過(guò)該多機通信系統由一片ATmega128統一管理。由于該測試系統要實(shí)現 500～5000V耐壓測試，以及2～20A大電流的泄漏電流測試，正好可以用來(lái)檢驗該多機系統在非常惡劣的電磁干擾環(huán)境下的穩定性。筆者利用一臺PC作為主機，同時(shí)控制三套六項家用電器測試系統進(jìn)行穩定性測試。整套系統經(jīng)過(guò)72小時(shí)不間斷工作測試運行良好，證明多機系統方案穩定、可靠。利用這一多機系統設計的6項家用電器測試系統推向市場(chǎng)后，用戶(hù)的反饋也表明該系統穩定性很好。

結論

AVR微控制器有著(zhù)較高的性?xún)r(jià)比，在科研和工程等方面的應用越來(lái)越廣泛。本文著(zhù)重敘述了AVR微控制器中ATmega128與ATmega8及PC 之間的串口通信的軟硬件實(shí)現問(wèn)題，這一方案已經(jīng)應用在實(shí)際中，經(jīng)測試該系統穩定可靠，抗干擾性能好，而且由于其較強的可擴展能力（每個(gè)ATmega128 可控制16個(gè)ATmega8），可以在原系統不做任何改變的情況下增加或減少功能，且不會(huì )影響到系統整體的性能。由于采用模塊化設計方法，該系統靈活性好，可以適應不同的要求。本文所述的ATmega128和ATmega8構建的多機系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程對AVR其他型號的微控制器同樣適用。