引言
Cortex-M3是ARM公司推出的32位處理器，使用了最新一代的ARMv7架構(gòu)，具有高性能、低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)那些對(duì)功耗與成本敏感、但又要求較高性能的嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Correx-M3無(wú)疑是最佳解決方案；而對(duì)成本要求苛刻、運(yùn)算能力要求不高的設(shè)備來(lái)說(shuō)，嵌入成熟穩(wěn)定的8051處理器，已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)的流行做法。目前，越來(lái)越多的嵌入式系統(tǒng)同時(shí)使用了上述兩種MCU，因此如何使Cortex-M3與8051之間可以高效地進(jìn)行信息交互，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。
1 方案設(shè)計(jì)
要進(jìn)行信息交互，離不開(kāi)物理接口。在嵌入式應(yīng)用中，目前常用的接口有UART、SPI和I2C等串行接口。UART接口只需兩根數(shù)據(jù)線就可以工作，時(shí)序控制簡(jiǎn)單，大部分設(shè)備都整合了這種接口。而且，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后UART的TTL電平可以轉(zhuǎn)換成RS232電平，RS232接口是計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的通信接口，可以通過(guò)超級(jí)終端查看串口的數(shù)據(jù)，便于使用PC機(jī)對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)分析。因此，本設(shè)計(jì)采用UART接口作為Cortex-M3與C51之間的通信接口。
考慮到各種需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于UART接口的，用于Cortex-M3和C51之間的通信協(xié)議，使Cortex-M3與C51之間可以高效地進(jìn)行信息交互。當(dāng)兩個(gè)MCU之間需要進(jìn)行通信的時(shí)候，發(fā)送方把原始數(shù)據(jù)下放給通信協(xié)議，通信協(xié)議按照特定格式把數(shù)據(jù)打包，通過(guò)UART接口發(fā)送給對(duì)方。接收方收到數(shù)據(jù)時(shí)，MCU運(yùn)行相應(yīng)的通信協(xié)議，把數(shù)據(jù)解包，就可以得到發(fā)送方的原始數(shù)據(jù)，將其交付給上層程序。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
如果使用其他串行接口，原理大體相同，只需對(duì)硬件作相應(yīng)改動(dòng)，即對(duì)接口控制模塊稍作修改即可投入使用。
下面以實(shí)際工程中某種多媒體系統(tǒng)為例詳細(xì)說(shuō)明。該系統(tǒng)采用了以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32處理器和嵌入了C51核的MST776視頻處理芯片，使用UART接口進(jìn)行通信。
2 具體實(shí)現(xiàn)
2．1 硬件設(shè)置
具體的器件不同，UART的工作方式也有所區(qū)別，主要表現(xiàn)在波特率、停止位、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度等參數(shù)上。當(dāng)兩個(gè)器件用UART連接時(shí)，所有參數(shù)必須完全一致，否則通信很容易出錯(cuò)。在此，要特別注意波特率的設(shè)置：當(dāng)線路質(zhì)量好的時(shí)候，波特率可以設(shè)置得高點(diǎn)，以獲得較高的傳輸速率；線路質(zhì)量差的時(shí)候，就要減小波特率，以降低誤碼率。
本設(shè)計(jì)中，STM32與MST776都整合了UART接口，只需配置少量電阻；同時(shí)，線纜長(zhǎng)度不超過(guò)20 cm，使用環(huán)境的電磁干擾小，波特率可以設(shè)置為38 400bps，甚至更高。另外，考慮到C51的處理速度較低，因此波特率不應(yīng)設(shè)置得太高，避免造成C51側(cè)數(shù)據(jù)溢出，進(jìn)而造成死機(jī)。
本設(shè)計(jì)只需使用兩根數(shù)據(jù)線來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)MCU之間的互連，把STM32上選定的UART接口的TX與對(duì)端的UART接口的RX相連，把RX與對(duì)端的UART接口的TX相連。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
2．2．1數(shù)據(jù)幀解析
Cortex-M3側(cè)和C51側(cè)采用同樣的數(shù)據(jù)幀格式，以簡(jiǎn)化編程的難度，增強(qiáng)程序的可移植性。數(shù)據(jù)幀由起始標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、類型ID、通信內(nèi)容、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼構(gòu)成，如圖2所示。
(1)起始標(biāo)識(shí)符
起始標(biāo)識(shí)符的作用主要是用于定界，把不同的數(shù)據(jù)幀在一連串的數(shù)據(jù)中分離開(kāi)來(lái)。起始標(biāo)識(shí)符內(nèi)的數(shù)據(jù)不能與數(shù)據(jù)幀中可能出現(xiàn)的任何數(shù)據(jù)相同，否則會(huì)引起歧義，導(dǎo)致定界失敗，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在本例中，為2個(gè)字節(jié)，選用0xFF+0xAA，因?yàn)樵摻M合與其他數(shù)據(jù)具有排他性，不會(huì)引起歧義。
(2)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的計(jì)算方法為，從該位開(kāi)始，到最后一個(gè)數(shù)據(jù)位結(jié)束，也就是CRC校驗(yàn)位之前的一個(gè)字節(jié)。雖然使用Length位可以表示很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀，但在應(yīng)用中應(yīng)盡量采用短幀，以避免各種干擾因素造成少數(shù)數(shù)據(jù)位出錯(cuò)，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)無(wú)效，影響通信效率。同時(shí)，應(yīng)該設(shè)置一個(gè)最大發(fā)送長(zhǎng)度，以便設(shè)置超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器的值。本例采用1個(gè)字節(jié)，最大幀長(zhǎng)為260個(gè)字節(jié)。
(3)類型ID
根據(jù)實(shí)際需要，類型ID可以采用1個(gè)或多個(gè)字節(jié)，用于表示該數(shù)據(jù)幀的作用類型。本例中，采用1個(gè)字節(jié)，可以表示256種作用類型，例如設(shè)備參數(shù)幀(如音量)、線路探測(cè)幀或應(yīng)答幀。
(4)通信內(nèi)容
通信內(nèi)容與類型ID結(jié)合，表達(dá)特定意義。相同的Data，但I(xiàn)D不同的話，表達(dá)的信息不一樣。根據(jù)不同的ID，Data的長(zhǎng)度可能會(huì)有所不同。
(5)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼
循環(huán)冗余校驗(yàn)碼用于校驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)是否在傳輸過(guò)程中出錯(cuò)。本例中采用CRC-16算法，占2個(gè)字節(jié)，對(duì)從起始標(biāo)識(shí)符開(kāi)始到最后一個(gè)通信內(nèi)容位的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，把得到的結(jié)果附在最后。
2．2．2 收發(fā)流程
發(fā)送流程：將要發(fā)送的數(shù)據(jù)添加起始標(biāo)識(shí)符和長(zhǎng)度后，計(jì)算CRC-16校驗(yàn)碼，附在最后，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò)UART發(fā)送出去。發(fā)送完畢后啟動(dòng)超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器。
接收流程：當(dāng)接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)采取不同的操作。當(dāng)數(shù)據(jù)上交后，上層程序根據(jù)類型ID和通信內(nèi)容來(lái)作出相應(yīng)的響應(yīng)。具體流程如圖3所示。
2．2．3 線路檢測(cè)機(jī)制
雖然本例中的UART接口是一種有線通信，而且線纜長(zhǎng)度不超過(guò)20 cm，但仍有可能出現(xiàn)插口松脫、線纜銅芯斷裂等情況，造成線路中斷。對(duì)于轉(zhuǎn)換成RS232電平的應(yīng)用，雖然RS232的最大傳輸距離不超過(guò)15 m，但如果在惡劣的環(huán)境中使用，仍無(wú)法完全避免線路發(fā)生中斷。因
此，有效的線路檢測(cè)機(jī)制是必需的。
本設(shè)計(jì)中，當(dāng)本端系統(tǒng)狀態(tài)為Null時(shí)，每間隔1 s就發(fā)送一個(gè)線路探測(cè)幀，類型ID=0x00，通信內(nèi)容=0x55。同時(shí)，如果本端在5 s內(nèi)收不到任何新數(shù)據(jù)或者線路探測(cè)幀，則表明線路中斷，向上層程序發(fā)送線路中斷報(bào)告。對(duì)于需要交互秒時(shí)間信息的應(yīng)用，線路探測(cè)幀可以省略，只檢測(cè)秒時(shí)間信息就可以達(dá)到線路探測(cè)的目的。
2．2．4 校正機(jī)制
因?yàn)榇型ㄐ牌毡榇嬖谡`碼的問(wèn)題，因此簡(jiǎn)單有效的校正機(jī)制是必須的。由于采用的是點(diǎn)到點(diǎn)的串行接口，數(shù)據(jù)幀都是按照發(fā)送的先后順序到達(dá)接收端，不會(huì)出現(xiàn)后一幀比前一幀早到的情況，只需要采用CRC-16和簡(jiǎn)單的ARQ機(jī)制，再加上超時(shí)重傳機(jī)制，就可以提供高可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
接收方收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀之后，必須給發(fā)送方返回一個(gè)ACK幀，該幀的類型ID=0xFF。通信內(nèi)容根據(jù)校驗(yàn)的結(jié)果有所不同：校驗(yàn)正確的，Data=1；校驗(yàn)失敗的，Data=0。
發(fā)送方發(fā)送完一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀之后，啟動(dòng)超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器。如果在計(jì)時(shí)器超時(shí)之前沒(méi)有收到ACK幀，或者收到的ACK幀的Data為0，就重發(fā)上一個(gè)數(shù)據(jù)幀；當(dāng)收到ACK幀之后，計(jì)時(shí)器歸零。發(fā)送方只有在收到Data為1的ACK幀后，才能發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。當(dāng)連續(xù)超時(shí)5次時(shí)，表明線路中斷，向上層程序發(fā)送線路中斷報(bào)告。
ACK幀和線路檢測(cè)幀無(wú)須應(yīng)答。發(fā)送這兩種幀之后，無(wú)須設(shè)置超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器。
2．2．5 接口控制
接口控制主要管理UART接口的收發(fā)，在此采用中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。若有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則必須等發(fā)送緩存為空時(shí)，才能把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到發(fā)送緩存，否則會(huì)把舊的數(shù)據(jù)覆蓋掉，造成數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入結(jié)束后，產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送中斷，通知MCU把數(shù)據(jù)通過(guò)UART接口發(fā)送出去。當(dāng)收到一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，UART產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，通知MCU把數(shù)據(jù)放入接收緩存，保存完成后清除中斷信號(hào)，等待接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。只需修改接口控制部
分，就可以適用于不同的硬件接口。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析
為了驗(yàn)證本串行通信協(xié)議的有效性，連接STM32和MST776的UART接口，在這兩個(gè)MCU上運(yùn)行本通信協(xié)議，并在線纜上引出兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)，使用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后接到PC機(jī)的RS232接口上，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。通過(guò)Windows的超級(jí)終端，可以在PC機(jī)上看到UART接口收發(fā)數(shù)據(jù)的狀況。同時(shí)，通過(guò)JTAG接口可以看到通信協(xié)議向上層程序交付的數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本通信協(xié)議工作正常，收發(fā)數(shù)據(jù)正確，校正機(jī)制和線路檢測(cè)機(jī)制都工作良好。運(yùn)行本通信協(xié)議后，兩個(gè)MCU都沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出、死機(jī)等情況。這表明本文設(shè)計(jì)的串口通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，令Cortex-M3與C51之間可以有效地進(jìn)行信息交互。
結(jié)語(yǔ)
本文基于Cortex-M3與C51之間的通信需求，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)據(jù)幀的通信協(xié)議，使得兩個(gè)MCU間可以進(jìn)行有效的信息交互。本設(shè)計(jì)已經(jīng)在某型多媒體系統(tǒng)上得到應(yīng)用，使用效果很好，表現(xiàn)非常穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)具有良好的可移植性和通用性，在另一個(gè)嵌入式項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)對(duì)程序的少量修改，也在SPI接口上得到了應(yīng)用。