基于多单片机的串口扩展设计论文

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;

3) 向从机发送字符串数据

SPCTL = 0xfd;

IE2=IE2 & 0x01;

SPISS=0;

4)SPI 接收中断函数

uchar ucRecvSpi;

SPDAT=SPDAT;

SPSTAT = 0xc0;

ucRecvSpi=SPDAT;

??//SPI 接收到的数据处理

?循环SPI 数据交换

发送字符串

SPISS=1;

SPCTL = 0xec;

IE2=IE2 | 0x3;

从机部分也需要用到主机一样的四个函数，即从机SPI 初始化，SPI 主从机之间的数据交换，向主机发送数据，从机SPI中断接收等。程序函数与主机大部分相同，只有细微区别。在从机SPI 初始化时，SPCTL 控制寄存器初值为0xec。

3.3 扩展的串口处理

从机自带的两个双工串口即是扩展出来的串口，要实现收发数据，需要用到基本的3 个函数，即从机串口初始化，从机串口向外围模块发送数据，从机中断接收数据。串口4 和串口5 函数类似，下面只列举串口4 的初始化函数部分。

1) 串口1 初始化

TMOD = 0x20;

SCON = 0x5a;

TH1 =TL1= -3;

TR1 = 1;

ES = 1; EA = 1;

2) 串口接收中断

RI = 0 ;

Buf[i]=SBUF;// 接收串口数据存入数组

if (SBUF==0x0a && Buf[i-2]==0x0d)

接收到结束符，则向主机发送串口数据。

4 结语

本文中的串口扩展方法，实用性强，成本较低，能较好的实现串口扩展，同时利用多出的单片机，可以为主CPU 分担一定的任务，提供一定的硬件资源。