C8051F120與RS422息線(xiàn)的時(shí)鐘同步技術(shù)

引 言
由于指令的速度不斷加快，單片機在各個(gè)方面的性能大為提高，比如多個(gè)單片機之間的時(shí)鐘同步。Silicon Labs公司的C8051F系列單片機的執行速度最高可以達到100MIPS，這使得更高精度的時(shí)鐘同步成為可能。時(shí)鐘同步是一個(gè)在多單片機相互配合時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題，主要有兩種同步方式——絕對同步和相對同步。絕對同步是指各個(gè)控制器和一個(gè)標準的時(shí)間進(jìn)行同步，比如北京時(shí)間、華盛頓時(shí)間等等；而相對時(shí)鐘同步是指各個(gè)單片機和一個(gè)相對穩定的時(shí)鐘進(jìn)行同步，與外界的時(shí)間沒(méi)有聯(lián)系。本文主要針對RS422總線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò )的高精度時(shí)鐘同步問(wèn)題，提出了一種相對時(shí)鐘同步解決方案。

1 整體框架結構
RS422網(wǎng)絡(luò )中，多個(gè)單片機的連接如圖1所示。這是一個(gè)典型的“一主多從”式結構：主單片機通過(guò)向從單片機發(fā)送命令，實(shí)現管理功能；從單片機主要執行具體的功能，比如數據采集、D／A轉換輸出等。為了使多個(gè)單片機能夠同步工作，需要一種同步方式，所以從單片機不但要實(shí)現各自的具體功能，而且還要能夠進(jìn)行多個(gè)單片機的時(shí)鐘同步。本方案設計了從單片機的幾種工作狀態(tài)。R和T分別表示R+、R-和T+、T-。

2 從單片機的狀態(tài)機
本文重點(diǎn)介紹系統時(shí)鐘同步功能的實(shí)現，但是在實(shí)際應用過(guò)程中，該系統必定要實(shí)現其他的功能，比如數據采集、模擬量輸出等。主單片機的作用是控制從單片機工作，所以要使從單片機具有不同的工作狀態(tài)。本文設計了3種工作狀態(tài)：準備態(tài)、時(shí)鐘同步態(tài)、工作態(tài)。3種工作狀態(tài)之間的相互轉換過(guò)程如圖2所示。圖中，①代表主單片機向從單片機發(fā)送“工作”命令；②代表主單片機向從單片機發(fā)送“時(shí)鐘同步”命令；③代表主單片機向從單片機發(fā)送“工作態(tài)向時(shí)鐘同步態(tài)轉換”命令；④代表主單片機向從單片機發(fā)送“時(shí)鐘同步態(tài)向工作態(tài)轉換”命令。

準備態(tài)是從單片機上電后的工作狀態(tài)，當主單片機向某一從單片機發(fā)送“是否準備好”命令后，若從單片機回復“準備好”，則說(shuō)明從設備已經(jīng)處于準備好的狀態(tài)，可以向時(shí)鐘同步態(tài)和工作態(tài)進(jìn)行轉換。如果從單片機處于工作態(tài)，主單片機發(fā)送“工作態(tài)向時(shí)鐘同步態(tài)轉換”命令，則從時(shí)鐘進(jìn)入時(shí)鐘同步態(tài)；如果從單片機處于時(shí)鐘同步態(tài)，主單片機發(fā)送“時(shí)鐘同步態(tài)向工作態(tài)轉換”命令，則從單片機由時(shí)鐘同步態(tài)轉換到工作態(tài)。

3 時(shí)鐘同步設計的基本原理
本方案采用多個(gè)C8051F120單片機組成RS422網(wǎng)絡(luò )。C8051F120單片機具有高達100MIPS的執行速度，也就是1μs可以執行100條單周期指令，所以定時(shí)器定時(shí)1μs可以達到1％的精度。而RS4．22總線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò )是“一主多從”式結構，網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)設備都有自己的時(shí)鐘，時(shí)鐘采用定時(shí)器實(shí)現，1μs觸發(fā)一次。主設備和從設備的時(shí)鐘偏差產(chǎn)生有兩個(gè)原因；一是某些隨機因素產(chǎn)生的誤差；二是由于晶振的運行速度不同引起的誤差，此誤差的產(chǎn)生主要受溫度的影響，而溫度又是由工作環(huán)境來(lái)決定的。本文采用相對時(shí)鐘同步的方法來(lái)減小這種誤差的影響。
該方法分為2步：
①主設備每2 s進(jìn)行一次時(shí)鐘同步。主設備首先發(fā)送報文master_a(該報文本身不含發(fā)送時(shí)間)，之后再發(fā)送一幀帶有該報文發(fā)送時(shí)間信息的報文master_b。這樣，從設備可以分析出主設備的同步報文的發(fā)送時(shí)間T1和接收時(shí)間T2(如無(wú)特殊標注，文中所涉及的時(shí)間變量都是以μs為單位的)。從設備再發(fā)送一個(gè)報文slave_c，并記下這個(gè)報文的發(fā)送時(shí)間T3，主設備接到該報文后記下接收時(shí)間T4，并把T4發(fā)給從設備，從設備就有了T1、T2、T3、T4的值。由于主設備和從設備都采用同一波特率進(jìn)行串行通信，所以只要保證主設備的報文和從設備的報文發(fā)送的字節數相同，就可以看成主設備和從設備的發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間是相同的，即圖3中的T1、T2、T3、T4四點(diǎn)構成的是等腰梯形。所以主設備和從設備之間的時(shí)間偏差：

從設備的時(shí)間T_Slave減去從設備和主設備之間的偏差△，即校正后的時(shí)間。但此時(shí)校正后的結果只是改變從設備的時(shí)鐘誤差，并沒(méi)有改變從時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率。隨著(zhù)時(shí)間的增長(cháng)，這個(gè)誤差就又會(huì )出現，因此想要減小這個(gè)誤差必須采用進(jìn)一步的方法。
②進(jìn)行時(shí)鐘頻率的校正。C8051F120單片機的指令速度很快(可達100MIPS)，這就為單片機應用內部定時(shí)器實(shí)現頻率可調時(shí)鐘創(chuàng )造了有利條件。本文多次測量從設備和主設備之間的時(shí)間誤差來(lái)求取平均值，作為主從時(shí)鐘在規定時(shí)間內的從設備和主設備之間的誤差，通過(guò)這個(gè)誤差來(lái)修正從設備的時(shí)鐘頻率。具體做法為：測量5次從設備和主設備之間的偏差△1～△5，采用平均值濾波法得到的結果△z作為2 s的時(shí)間偏差。

其中，t代表1μs內時(shí)鐘的偏差量，單位是0．01 μs。只須修改定時(shí)器的相應寄存器，就可以達到調整時(shí)鐘頻率的目的。

4 系統的硬件連接
各個(gè)單片機采用RS422總線(xiàn)進(jìn)行互聯(lián)，形成一個(gè)“一主多從”的結構。RS422接口電路如圖4所示。接口芯片采用Maxim公司的MAX489，其中DI、RO連接在C8051F120單片機的串口上，用端子J將各個(gè)RS422的各路信號引出。

5 時(shí)鐘同步軟件設計
時(shí)鐘同步部分的軟件設計包括主、從單片機的工作過(guò)程，以及頻率可調時(shí)鐘部分和時(shí)鐘校準部分的實(shí)現，但不包括狀態(tài)轉換功能的實(shí)現。
編者注：主從機程序略。

結 語(yǔ)
時(shí)鐘同步問(wèn)題是多單片機同步工作面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。本文針對RS422網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步工作問(wèn)題，提出了一種相對時(shí)鐘同步解決方案；并應用單片機片內定時(shí)器設計了一個(gè)頻率可調時(shí)鐘，在沒(méi)有增加硬件成本的前提下，明顯地減小了不同單片機之間的時(shí)鐘偏差。