任 偉

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

0 單片機概述

單片微型計算機簡稱單片機，它是由單板微型計算機發(fā)展過來的，而單板微型計算機簡稱單板機。單板機是將CPU芯片、存儲器芯片、I/0接口芯片和簡單的I/0設(shè)備(如小鍵盤、LED顯示器)等組裝在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序，就構(gòu)成了一臺單板微型計算機系統(tǒng)，即單板機。20世紀(jì)70年代末，隨著技術(shù)的發(fā)展，將運算器、控制器、存儲器、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)、I/0 輸入輸出接口電路等集成在一塊芯片上，單片機誕生了[1]。單片機具有一個完整計算機所需要的大部分部件，如CPU、內(nèi)存、內(nèi)/外部總線、定時器、實時時鐘、通信接口和I/0接口等[1]。如今運用最廣泛的是51系列、PIC系列和AVR系列單片機。51系列單片機比較適合初學(xué)者的學(xué)習(xí)需求及小批量產(chǎn)品的開發(fā)；PIC系列、AVR系列嵌入式單片機廣泛應(yīng)用于工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。

1 嵌入式PIC單片機簡介

PIC ( Peripheral Interface Controller)單片機是由美國Microchip (微芯)公司推出的PIC單片機系列產(chǎn)品，首先采用了精簡指令RISC 結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗、大電流LED驅(qū)動能力和低價位OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機產(chǎn)業(yè)的新趨勢[2]。PIC單片機有三種系列、多種型號的產(chǎn)品問世，在全球都可以看到PIC單片機的應(yīng)用，從電腦的外設(shè)、家電控制、電信通信、智能儀器、汽車電子到金融電子等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，PIC單片機是當(dāng)前市場份額增長最快、最有影響力的嵌入式微控制器之一。

2 嵌入式PIC 單片機與51單片機的對比

2.1 兩者電路結(jié)構(gòu)不同

1）總線結(jié)構(gòu)不同。PIC單片機的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu),指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的,一個用于指令,另一個用于數(shù)據(jù),由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問,所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率[2]；而51單片機的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型,計算機在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù),兩者不能同時進行[3]。正因為在PIC單片機中采用了哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，所以程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度，數(shù)據(jù)總線都是8位的，但指令總線位數(shù)分別為12、14、16位。

2）流水線結(jié)構(gòu)不同。PIC的取指令和執(zhí)行采用雙指令流水線結(jié)構(gòu),當(dāng)一條指令被執(zhí)行時,允許下一條指令同時被取出,這樣就實現(xiàn)了單周期指令；而51單片機的取指令和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu),即取一條指令,執(zhí)行完后再取下一條指令，在一定程度上影響了效率。

3）寄存器組不同。PIC單片機的所有寄存器,包括I/O接口、定時器和程序計數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作；而51單片機需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容，在一定程度上限制了程序的執(zhí)行速度。

2.2 嵌入式PIC 單片機的優(yōu)勢

精簡指令集指令更適合初學(xué)者掌握。PIC單片機分為基本級、中級、高級三個級別，分別采有33、 35、 58條精簡指令集指令，運行速度更快[3]；而51單片機有111條指令七種尋址方式。

雙向I/ O接口具有較大的驅(qū)動能力。 PIC單片機輸出電路為CMOS互補推挽輸出電路，低電平吸入電流達25 mA,高電平輸出電流可達20 mA,它能直接驅(qū)動LED發(fā)光二極管、數(shù)碼管等器件，使外圍電路簡單，相對于51系列而言這是一個很大的優(yōu)勢。硬件抗干擾能力優(yōu)于51系列單片機。

多路通道10位A / D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。PIC單片機的多路通道10位A / D模塊能滿足大多應(yīng)用場景對精度的要求，相對于51系列單片機而言在模擬量測控方面具有優(yōu)勢。

低功耗工作模式。PIC單片機CMOS電路結(jié)構(gòu)具有低工作電壓、低功耗、工作電壓范圍寬的優(yōu)點，支持休眠工作模式，適合于嵌入式控制器的低功耗工作模式。

靈活多樣的封裝形式。低至8引腳靈活多樣的PIC單片機封裝形式，給嵌入式控制器開發(fā)帶來極大的便利且具有低成本優(yōu)勢。

加密保護功能可靠。PIC單片機加密保護功能遠遠超過51系列單片機，使得知識產(chǎn)權(quán)得以保護。

3 嵌入式PIC單片機主從分布式實訓(xùn)裝置

3.1 單片機主從分布式控制機理

單片機實現(xiàn)分布式遠程多機可靠數(shù)據(jù)交換的方法之一，是采用RS485通信協(xié)議構(gòu)成主從分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，理論上傳輸距離可達1 200 m，能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場傳輸數(shù)據(jù)的要求。其工作機制是為每臺從機分配一個唯一的ID身份地址碼，用于區(qū)分不同的從機[4]。通信過程由主機發(fā)起，主機首先發(fā)送欲通信的某從機的地址碼，各從機接收到主機發(fā)送的地址碼信息后，各從機將接收的地址碼與本機的地址碼相比較，地址碼相符的從機，回應(yīng)主機本機的ID地址碼，主機收到有效的從機ID地址碼稱其為握手信號，說明主機與從機建立了通信聯(lián)系，從機可以接受主機的指令，主機下發(fā)的命令分為下載指令和上傳指令兩類。從機根據(jù)接收到的主機指令碼的類型來決定接收數(shù)據(jù)或上傳數(shù)據(jù)，完成一次主機與從機的數(shù)據(jù)交換；當(dāng)從機收到的ID地址碼與自身的ID地址碼不相同時，從機丟棄數(shù)據(jù)不做處理。

3.2 嵌入式PIC單片機主從分布式實訓(xùn)裝置架構(gòu)

嵌入式PIC單片機主從分布式實訓(xùn)裝置由主機控制單元和從機控制單元兩大部分組成。主機控制單元主要涉及人機對話工作任務(wù)如按鍵、LED數(shù)碼顯示、點陣顯示等功能的實訓(xùn)任務(wù)，通信模塊部分負責(zé)以主從式拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)起、管理主機與從機間的通信，實現(xiàn)主機對從機參數(shù)的設(shè)定、從機實時采集數(shù)據(jù)的上傳、主機端遠程顯示；從機控制單元發(fā)揮本地實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理快速響應(yīng)的優(yōu)勢，完成底層I/O數(shù)據(jù)采集與控制、模擬量數(shù)據(jù)的采集與計算并響應(yīng)主機的通信請求，將主機需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。

3.2.1 主從分布式實訓(xùn)裝置的硬件電路

主機實訓(xùn)控制單元分為A型、B型兩種類型；從機實訓(xùn)控制單元為C型。其中，A型控制單元以串行輸入、并行輸出驅(qū)動芯片74HC595B為基礎(chǔ)，實現(xiàn)多只LED數(shù)碼管動態(tài)顯示實訓(xùn)任務(wù)，其原理如圖1所示；B型控制單元以數(shù)碼管和鍵盤專用驅(qū)動芯片HD7279A為核心，實現(xiàn)8只LED數(shù)碼管驅(qū)動顯示實訓(xùn)任務(wù)，其原理如圖2所示；C型控制單元完成底層I/O數(shù)據(jù)采集與控制、模擬量數(shù)據(jù)的采集與計算，并響應(yīng)主機的通信請求上傳數(shù)據(jù)[5]功能，其原理如圖3所示。A型、B型和C型三種實訓(xùn)單元在PCB板的設(shè)計中，分為I型PCB硬件電路實訓(xùn)單元、II型PCB軟件編程實訓(xùn)單元，即A-I型、B-I型、C-I型為硬件電路實訓(xùn)單元；A-II、B-II、C-II型軟件編程實訓(xùn)單元。其中，I型PCB電路板設(shè)計為：每個IC芯片、LED數(shù)碼管安裝IC插座（便于實訓(xùn)測試及損壞時易更換），且每個IC芯片間、LED數(shù)碼管間的連接線被兩只針形插座隔斷，預(yù)留板外飛線實現(xiàn)硬件電路的連接；II型PCB電路板設(shè)計為：每個IC芯片、LED數(shù)碼管安裝IC插座（實訓(xùn)中損壞時易更換），布線按照原理圖全部完成，用于編寫程序的下載、調(diào)試與運行。

3.2.2 主從分布式實訓(xùn)裝置通信部分控制程序

以B型主機實訓(xùn)控制單元為例，給出主從分布式實訓(xùn)裝置部分通信C語言程序[2，6]如下：

圖1 主機實訓(xùn)控制單元A型原理圖

圖2 主機實訓(xùn)控制單元B型原理圖

圖3 從機實訓(xùn)控制單元C型原理圖

主機通過鍵盤讀取指令、LED顯示數(shù)據(jù)、SCI串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了主機和從機的實時通信，通過Send_byte（）函數(shù)，把控制指令發(fā)送給從機，從機通過Receive_byte(void)函數(shù)接收指令，在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)處理過程中，軟件要設(shè)置適當(dāng)?shù)难訒r處理時間。

4 結(jié)語

嵌入式PIC單片機主從分布式實訓(xùn)裝置為學(xué)生做中學(xué)PIC單片機主從分布式控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、軟件編程搭建起了學(xué)習(xí)的平臺。本文提出了主從分層控制的思路，即：底層從機負責(zé)本地實時數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)；主機承擔(dān)人機對話、遠程顯示等功能。學(xué)生通過在該實訓(xùn)裝置上的訓(xùn)練，即可掌握PIC單片機的軟硬件知識，又能提高動手能力，使學(xué)生能夠更好地適應(yīng)工作崗位的技能要求。