由于MCU (微控制器)在可靠性、体积、功耗、性价比等方面都具有明显的优势，所以由其组成的上下位机形式的仪器(下位机部分)，已经在许多工业控制和数据采集系统中得到广泛应用。在实际应用中，如果一片MCU芯片的功能不能满足实际需求时，就需要进行扩展。在本文中，我们使用两片C8051F020微控制器通过SMBus(System Management Bus)系统管理总线进行扩展，使其满足了15路模拟量输入(AD)、6数字量输入、2路开关量输出以及1路PWM波输出的设计要求。

1 系统硬件构成

整个系统的装置示意图如图1所示。我们选择美国Silicon公司的微控制器(MCU)C8051F020(简称F020)作为应用系统的CPU。C8051F020是一种混合信号SOC型8位单片机，它有一个8通道的、转换速率为100Kbps的12位ADC，以及一个8通道的、转换速率为500Kbps的8位ADC；2个l2位DAC；64KB FlashRom，4KB RAM；有22个中断源和5个定时器/计数器； 内部有两个增强型全双工UART、SPI总线和SMBus总线。

CP2101是美国Silicon公司推出的USB-UART桥接电路。该电路的集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线(UART)，支持调制解调器全功能信号，全部功能集成在一个5mm×5mm IC中。在PC机上安装CP2101的驱动程序以后，CP2101就作为PC机的一个虚拟COM 口(VCP)，对它的操作与对PC机的COM口操作完全一样，因此无需修改现有的COM 口应用就可以实现通过USB向基于CP2101的器件传输数据，保证了对已有的串口通讯程序的兼容。其数据传输的波特率范围为300b/s～921.6kb/s。

2 SMBus总线

SMBus总线标准最早由Intel公司于1995年发布，它以Philips公司的I2C总线为基础，面向于“不同系统组成芯片与系统其他部分间的通讯”。SMBus接口的工作电压可以在(3.0～5.0)V之间，总线上不同器件的工作电压可以不同。SCL串行时钟线和SDA串行数据线是双向的，因此两条线上都需要上拉电阻或类似电路将它们连到电源电压，在没有数据传输时，两条线都处于高电平。典型的SMBus配置如图2所示。SMBus采用多种线路条件作为器件的握手信号。在一次数据传输过程中，SDA只能在SCL为低电平时改变。在SCL为高电平时，SDA发生改变则开始和停止信号。

SMBus协议有两种可能的数据传输类型：从主发送器到所寻址的从接收器(写)和从被寻址的从发送器到主接收器(读)。这两种数据传输都由主器件启动，主器件还提供串行时钟。一次典型的SMBus数据传输包括一个起始条件(START)、一个地址字节(位7～1：7位从地址；位0：R/W 方向位)、一个或多个字节的数据和一个停止条件(STOP)。每个接收的字节(由一个主器件或从器件)都必须用SCL高电平期间的SDA低电平来确认(ACK)。如果接收器件不确认，则发送器件将读到一个“非确认”(NACK)，这用SCL高电平期间的SDA高电平表示。

所有的数据传输都由主器件启动，可以寻址一个或多个目标从器件。主器件产生一个起始条件，然后发送地址和方向位。在数据传输结束时，主器件产生一个停止条件，结束数据交换并释放总线。图3示出了一次典型的SMBus数据传输过程。

3 系统通信的设计

系统的任务主要对模拟量进行AD转换，对数字量进行计数，并将这些数据最终要传给上位微机进行显示与数据处理，上位机根据其处理结果控制PWM波的频率及占空比。

3.1 上下位机的数据通信

由于我们使用了USB-UART桥接电路CP2101，因而上下位机的程序仍是按照UART形式编写。为保证双方传输的数据准确可靠，程序中使用软件握手：上位机首先给下位机传波特率参数，其值为600H，300H，180H，C0H，60H，0CH之一，下位机对收到波特率参数进行验证，如果为其中之一，则发送字节AAH给上位机，并更新下位机波特率，反之认为是噪声干扰，丢弃此数据，再重新等待接收。上位机收到AAH字节后，就更新新的波特率，然后向下位机发送控制命令子，如采样通道选择，单端方式还是差分方式，开关量的状态，采样周期和采样时间等，以及是否要求从下位机工作，如果要求从下位机工作，还要正确建立主从下位机的通信，之后再向上位机发应答字节55H。协议还采用超时重发功能，可自动连接5次。

3.2 主从下位机的SMBus通信

为使SMBus通信程序便于编写，我们规定第1片为主片，第二片为从片。SMBus的工作由下列寄存器中的内容决定： 状态寄存器(SMBOSTA)、控制寄存器(SMBOCN)、地址寄存器(SMBOADR)和数据寄存器(SMBODAT)。要通过SMBus通讯协议实现两片芯片之间的数据通信，关键在于如何利用单片机中的状态寄存器中的状态码，通过软件编程来实现对状态码的查询。每一个状态码都对应一个当前的通信状态和将要执行的操作，因此，根据所得到的状态码来确定当前的通信状态，以实现相互间的通信。

在编程时，SMBus通信协议是利用中断查询状态码的方式实现的，为使双方的通信可靠，也规定了软件握手：初始化后，从片等待主片的命令字节33H，从片收到33H后给主片发CCH应答字节，主片收到CCH字节后，根据上位机要求给从片发送相应的命令字节(采样周期，采样时间，采样通道，开关量状态等)，然后发送BBH字节个主片，并启动相应AD转换，主片收到BB后才进行AD转换，保证主片与从片对模拟量的同步采样。

4 系统软件设计

考虑到系统灵活性，我们编程使得通道选择、采样时间、采样周期、数字量输入、开关量的控制、PWM波的频率及占空比、从下位机的工作情况等由用户在上位机上指定，然后以命令字传给下位机，具体为：用4个字节分别表示两片MCU的AD通道是否被选中，每个字节位上为l表示该通道被选中，否则不选该通道。用3个字节存放采样周期，其最小单位为10微妙，5个字节存放采样时间，一个字节用于开关量，2个字节用于存放PWM波的频率，2个字节用于存放占空比值，1个字节用于表示数字量输入是否被选中。对于输入的数字量，输入是涡轮流量计来的脉冲，输入脉冲数的确定是采样引脚电平变化的方法来确定的。为保证小流量时的精度，按4秒钟所计脉冲数，通过其转换关系来确定流量。其中引脚电平采样的时间设为100微妙。为减轻下位机的任务，其采集的原始数据直接送给上位机进行处理，保证下位机有高的采样速率和高的传输速率。图4给出了下位机主片的工作流程图。

5 结束语

我们使用了自身带有AD转换电路及SMBus通信总线接口C8051F020微控制器，实现了两片MCU之间数据的高速可靠的数据通信。而且还使用了USB-UART桥接电路，保证了下位机与上位机有高的数据传输率。并且，在上位机软件设计时考虑到应用系统的通用性，可根据实际需求选用不同的传感器，并在上位机上进行相应的选择，就能得到所需的测量数据及曲线，使得该应用系统有较强的通用性。