BC7281A串行通訊的解決方案

2004年7月A版

摘   要：本文重點(diǎn)闡述數碼管顯示及鍵盤(pán)接口專(zhuān)用控制芯片BC7281A與MCU串行通訊中應注意的幾個(gè)問(wèn)題，給出了有效的解決方法，并提出了改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統；串行通信；BC7281A

　　傳統的數碼管顯示和鍵盤(pán)接口一般直接采用MCU的I/O口對鍵盤(pán)或數碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描的方法，硬件上需要較多的外圍部件，且占用MCU大量I/O口，軟件上則浪費CPU資源，且給編程人員帶來(lái)很大的不便。數碼管顯示及鍵盤(pán)接口專(zhuān)用控制芯片以其實(shí)現方法簡(jiǎn)單、功能強大等顯著(zhù)特點(diǎn)得到廣泛的應用。這種芯片外圍部件少、與MCU通訊一般采用串行接口或總線(xiàn)、在硬件上和軟件上都占用極少資源、且功能強大、使得編程人員可以將更多的時(shí)間花在控制上。目前的這類(lèi)接口芯片主要有：BC728X、HD7279A、ZLG7290、CH451等，BC7281A是其中性?xún)r(jià)比較高的一種。

典型應用電路

　　BC7281A的典型應用電路如圖1所示，顯示位數為16位，連接的鍵盤(pán)個(gè)數為64個(gè)，其外接移位寄存器采用74HC164，控制MCU采用ATMEL公司的AT89C51，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中僅畫(huà)出與BC7281A相關(guān)的電路。

BC7281A與MCU之間的通訊

　　BC7281A與MCU之間的通訊是采用2線(xiàn)高速串行接口，這兩個(gè)連線(xiàn)分別是數據線(xiàn)DAT和同步時(shí)鐘線(xiàn)CLK，其中DAT為雙向數據傳輸線(xiàn)，BC7281A既用該線(xiàn)從MCU接收數據，也用該線(xiàn)向MCU發(fā)送數據。BC7281A的DAT引腳為漏極開(kāi)路輸出結構，使用時(shí)須在該線(xiàn)上加20KW左右的上拉電阻。CLK引腳為串行時(shí)鐘接口的同步時(shí)鐘，由MCU控制，下降沿有效。串行接口數據寬度為8位，時(shí)序圖如圖2所示。

　　由于BC7281A的2線(xiàn)串行接口是自行規定的，一般MCU都不具備此通訊接口，但可以采用軟件實(shí)現。MCU發(fā)送指令或數據到BC7281A子程序為SEND，MCU接收數據子程序為RECEIVE，采用51指令系統編寫(xiě)，其中DATA_OUT為MCU向BC7281A發(fā)送數據的寄存器，該寄存器既能直接尋址又能位尋址，DATA_IN為MCU接收BC7281A的數據寄存器，CLK和DAT定義為MCU的I/O口，分別連接到BC7281A芯片上的CLK和DAT引腳。

MCU發(fā)送指令或數據到BC7281A子程序

SEND:   CLR        CLK

              SETB        CLK             ;發(fā)送握手請求脈沖

WAIT1:        JB        DAT,SEND    ; DAT

              CLR        CLK             ;建立通訊

              SETB        CLK

WAIT2:        JNB        DAT,WAIT2 ;發(fā)送串行數據

              MOV        BIT_COUNT,#8

SEND_LOOP:       MOV        C,DATA_OUT.7 ; BIT7

                     MOV        DAT,C

                            CLR        CLK ; CLK                                                                     

                            SETB        CLK

                     MOV        A,DATA_OUT

                            RL         A

                     MOV        DATA_OUT,A

                            NOP

                            NOP

                            DJNZ        BIT_COUNT,SEND_LOOP

                            SETB        DAT

                            NOP

                            NOP

                            RET

MCU接收數據子程序

RECEIVE:       CLR        CLK      ;發(fā)送握手請求脈沖

                     SETB        CLK

WAIT3:        JB        DAT,WAIT3 ;建立通訊

                     CLR        CLK ; CLK ,

                     SETB        CLK

                     MOV        BIT_COUNT,#8

RECV_LOOP:       NOP             ;發(fā)送串行數據

                     NOP

                     MOV        A,DATA_IN

                     MOV        C,DAT

                     RLC      A

                     MOV        DATA_IN,A

                     CLR        CLK

                     SETB        CLK

                     DJNZ        BIT_COUNT,RECV_LOOP

                            NOP ;

                     NOP

                     RET

　　在使用過(guò)程中，只要根據需要調用SEND或RECEIVE子程序即可。但在某些情況下可能引起嚴重的問(wèn)題，通訊時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )影響顯示在數據傳送期間，BC7281A將不會(huì )進(jìn)行顯示和鍵盤(pán)掃描，因此雖然數據傳送的速度并沒(méi)有下限的限制，但如果數據的傳送時(shí)間大于掃描周期(最小為8mS)，將會(huì )對顯示造成影響。

　　一般情況下，通訊周期是很短的，用Insight ME-52H仿真器測試MCU與BC7281A單個(gè)字節的通訊周期，時(shí)鐘由仿真器內部提供，為12MHz，測得SEND平均的通訊周期在170mS左右，RECEIVE的為160mS左右，遠遠小于掃描周期，不會(huì )影響顯示。但在有中斷的情況下，就可能間接延長(cháng)通訊周期了，因為中斷是隨機的，MCU就有可能在通訊期間響應中斷，則此時(shí)的傳送時(shí)間還應包括中斷響應的時(shí)間，如果中斷處理時(shí)間較長(cháng)，就可能影響顯示了。

　　例如，在中斷服務(wù)程序里利用UART發(fā)送批量數據，為了確保數據的正確發(fā)送，必須在每個(gè)字節發(fā)送完畢后即發(fā)送緩沖器為空時(shí)才發(fā)送下一個(gè)數據，每個(gè)數據的發(fā)送時(shí)間由波特率決定，在波特率為9600bps，采用10位異步收發(fā)方式情況下，則傳送一個(gè)8位的數據至少需要1(1/960S)mS，實(shí)驗證明，當發(fā)送數據量為8個(gè)時(shí)，數碼管顯示有明顯的閃爍現象，并隨著(zhù)發(fā)送數據量的增加，閃爍更加明顯。

　　顯然，在中斷源比較多，且中斷比較頻繁的情況下，就可能在一個(gè)傳遞周期內多次響應中斷(包括中斷嵌套)，即使每個(gè)中斷的響應時(shí)間較短，通訊時(shí)間也會(huì )顯著(zhù)的延長(cháng)，也會(huì )引起閃爍現象。

通訊協(xié)議被破壞導致數據傳送錯誤

　　由于MCU與BC7281A的通訊是采用2根半雙工的串行總線(xiàn)，傳送數據時(shí)要求以字節為單位進(jìn)行傳送，即傳送一個(gè)字節后才能傳送下一個(gè)字節，否則會(huì )引起傳送數據錯誤。

　　如果調用這些通訊子程序的指令分布在主程序和中斷服務(wù)程序里，就可能出現以下情況：主程序正在執行某條通訊指令期間，響應中斷服務(wù)程序里的另一條通訊指令，此時(shí)通訊協(xié)議將出錯，導致數據傳送錯誤。特別是會(huì )出現在以下情況：主程序完成顯示功能，鍵盤(pán)采用中斷方式，這時(shí)若在中斷服務(wù)程序出現讀取鍵值的指令，將會(huì )引起數據傳輸出錯。因此要求所有調用通訊指令均在主程序或中斷服務(wù)程序中。

解決方法

　　從上面的分析可以看出，這些問(wèn)題主要是由中斷引起的，可以采用在軟件上調整程序結構，硬件上進(jìn)一步完善等方法加以解決，具體如下：

調整程序結構

　　禁止在通訊期間內響應中斷：禁止在通訊期間內響應中斷，就是在每次調用通訊子程序前關(guān)閉所有的中斷，調用完畢后再開(kāi)放中斷，這樣傳遞時(shí)間就不會(huì )增加，也不會(huì )出現在同一個(gè)通訊周期里分時(shí)傳送兩個(gè)數據的情況。該方法雖然簡(jiǎn)單，但有一定的局限性，對于有些實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合，或者利用中斷實(shí)現精確延時(shí)等場(chǎng)合就不適用了。

　　采用中斷配合查詢(xún)標志位：該方法中，對于實(shí)時(shí)性要求高或執行時(shí)間較短的中斷則直接在相應的中斷服務(wù)程序中完成，其他的中斷則采用中斷配合查詢(xún)標志位的方法處理，即僅在中斷服務(wù)程序里設置中斷標志位，在主程序里查詢(xún)該標志位的狀態(tài)，若有中斷發(fā)生則進(jìn)行相應的處理，這樣就可以將原來(lái)中斷服務(wù)程序中的處理部分轉移至主程序了，也就不會(huì )出現通訊子程序的指令分布在主程序和中斷服務(wù)程序的情況了，也就避免了在一個(gè)通訊期間內分時(shí)傳送兩個(gè)數據，同時(shí)也有效的減少了中斷時(shí)間。另外，盡量減少通訊的頻率，如在顯示的數據不變化時(shí)不更新BC7281A中相應的顯示寄存器，這樣就可以減少在通訊期間響應中斷的可能性了，也提高了CPU的利用率，可以作為該方法的有效補充。

用硬件實(shí)現雙向通訊

　　上述這兩種解決方法在一定程度上給編程人員帶來(lái)不便，主要原因是由軟件來(lái)完成MCU和BC7281A之間的通訊，如均用硬件實(shí)現，對編程人員來(lái)說(shuō)完全可以將BC7281A完全看成“黑匣子”，就會(huì )給編程人員提供更大的自由度，從這種意義上說(shuō)，也提高了性能。目前標準的串行接口或串行總線(xiàn)有SPI接口、I2C總線(xiàn)、MicroWire接口、MSBus總線(xiàn)、1-Wire總線(xiàn)等?，F在很多單片機都支持這些標準串行接口或總線(xiàn)(即使沒(méi)有也可以用軟件實(shí)現)，如MicroChip公司的PIC16F87X系列單片機就同時(shí)支持SPI接口和I2C總線(xiàn)。采用其中的某一種接口或總線(xiàn)后，MCU與數碼管顯示及鍵盤(pán)掃描控制芯片的通訊協(xié)議由硬件實(shí)現，幾乎不占用CPU的資源，也不必考慮上述提到的情況，使用起來(lái)更加方便。

結語(yǔ)

　　BC781A價(jià)格低廉，功能強大，外圍電路少，軟件控制簡(jiǎn)單，使用方便；但在應用時(shí)會(huì )出現數據傳送錯誤等問(wèn)題，可以使用多種軟硬件方法解決。在機載多通道掃描儀(MAMS)黑體定標源系統中采用了本文提出的調整程序結構的解決方法，該系統于日前進(jìn)行航空試驗，試驗結果表明，系統在較惡劣的電磁環(huán)境中，仍能可靠運行，效果令人滿(mǎn)意。

參考文獻：

1． BC7281A 128段LED顯示及64鍵鍵盤(pán)控制芯片數據手冊. 北京凌志比高公司.