嵌入式PIC单片机主从分布式实训装置

任 伟

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

0 单片机概述

单片微型计算机简称单片机，它是由单板微型计算机发展过来的，而单板微型计算机简称单板机。单板机是将CPU芯片、存储器芯片、I/0接口芯片和简单的I/0设备(如小键盘、LED显示器)等组装在一块印刷电路板上，再配上监控程序，就构成了一台单板微型计算机系统，即单板机。20世纪70年代末，随着技术的发展，将运算器、控制器、存储器、内部和外部总线系统、I/0 输入输出接口电路等集成在一块芯片上，单片机诞生了[1]。单片机具有一个完整计算机所需要的大部分部件，如CPU、内存、内/外部总线、定时器、实时时钟、通信接口和I/0接口等[1]。如今运用最广泛的是51系列、PIC系列和AVR系列单片机。51系列单片机比较适合初学者的学习需求及小批量产品的开发；PIC系列、AVR系列嵌入式单片机广泛应用于工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。

1 嵌入式PIC单片机简介

PIC ( Peripheral Interface Controller)单片机是由美国Microchip (微芯)公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了精简指令RISC 结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LED驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势[2]。PIC单片机有三种系列、多种型号的产品问世，在全球都可以看到PIC单片机的应用，从电脑的外设、家电控制、电信通信、智能仪器、汽车电子到金融电子等各个领域的广泛应用，PIC单片机是当前市场份额增长最快、最有影响力的嵌入式微控制器之一。

2 嵌入式PIC 单片机与51单片机的对比

2.1 两者电路结构不同

1）总线结构不同。PIC单片机的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全分开的,一个用于指令,另一个用于数据,由于可以对程序和数据同时进行访问,所以提高了数据吞吐率[2]；而51单片机的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储空间取指令和数据,两者不能同时进行[3]。正因为在PIC单片机中采用了哈佛双总线结构，所以程序和数据总线可以采用不同的宽度，数据总线都是8位的，但指令总线位数分别为12、14、16位。

2）流水线结构不同。PIC的取指令和执行采用双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令；而51单片机的取指令和执行采用单指令流水线结构,即取一条指令,执行完后再取下一条指令，在一定程度上影响了效率。

3）寄存器组不同。PIC单片机的所有寄存器,包括I/O接口、定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式，而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作；而51单片机需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容，在一定程度上限制了程序的执行速度。

2.2 嵌入式PIC 单片机的优势

精简指令集指令更适合初学者掌握。PIC单片机分为基本级、中级、高级三个级别，分别采有33、 35、 58条精简指令集指令，运行速度更快[3]；而51单片机有111条指令七种寻址方式。

双向I/ O接口具有较大的驱动能力。 PIC单片机输出电路为CMOS互补推挽输出电路，低电平吸入电流达25 mA,高电平输出电流可达20 mA,它能直接驱动LED发光二极管、数码管等器件，使外围电路简单，相对于51系列而言这是一个很大的优势。硬件抗干扰能力优于51系列单片机。

多路通道10位A / D模数转换模块。PIC单片机的多路通道10位A / D模块能满足大多应用场景对精度的要求，相对于51系列单片机而言在模拟量测控方面具有优势。

低功耗工作模式。PIC单片机CMOS电路结构具有低工作电压、低功耗、工作电压范围宽的优点，支持休眠工作模式，适合于嵌入式控制器的低功耗工作模式。

灵活多样的封装形式。低至8引脚灵活多样的PIC单片机封装形式，给嵌入式控制器开发带来极大的便利且具有低成本优势。

加密保护功能可靠。PIC单片机加密保护功能远远超过51系列单片机，使得知识产权得以保护。

3 嵌入式PIC单片机主从分布式实训装置

3.1 单片机主从分布式控制机理

单片机实现分布式远程多机可靠数据交换的方法之一，是采用RS485通信协议构成主从分布式网络结构，理论上传输距离可达1 200 m，能够满足绝大多数工业现场传输数据的要求。其工作机制是为每台从机分配一个唯一的ID身份地址码，用于区分不同的从机[4]。通信过程由主机发起，主机首先发送欲通信的某从机的地址码，各从机接收到主机发送的地址码信息后，各从机将接收的地址码与本机的地址码相比较，地址码相符的从机，回应主机本机的ID地址码，主机收到有效的从机ID地址码称其为握手信号，说明主机与从机建立了通信联系，从机可以接受主机的指令，主机下发的命令分为下载指令和上传指令两类。从机根据接收到的主机指令码的类型来决定接收数据或上传数据，完成一次主机与从机的数据交换；当从机收到的ID地址码与自身的ID地址码不相同时，从机丢弃数据不做处理。

3.2 嵌入式PIC单片机主从分布式实训装置架构

嵌入式PIC单片机主从分布式实训装置由主机控制单元和从机控制单元两大部分组成。主机控制单元主要涉及人机对话工作任务如按键、LED数码显示、点阵显示等功能的实训任务，通信模块部分负责以主从式拓扑结构发起、管理主机与从机间的通信，实现主机对从机参数的设定、从机实时采集数据的上传、主机端远程显示；从机控制单元发挥本地实时数据采集、数据处理快速响应的优势，完成底层I/O数据采集与控制、模拟量数据的采集与计算并响应主机的通信请求，将主机需要的数据发送给主机。

3.2.1 主从分布式实训装置的硬件电路

主机实训控制单元分为A型、B型两种类型；从机实训控制单元为C型。其中，A型控制单元以串行输入、并行输出驱动芯片74HC595B为基础，实现多只LED数码管动态显示实训任务，其原理如图1所示；B型控制单元以数码管和键盘专用驱动芯片HD7279A为核心，实现8只LED数码管驱动显示实训任务，其原理如图2所示；C型控制单元完成底层I/O数据采集与控制、模拟量数据的采集与计算，并响应主机的通信请求上传数据[5]功能，其原理如图3所示。A型、B型和C型三种实训单元在PCB板的设计中，分为I型PCB硬件电路实训单元、II型PCB软件编程实训单元，即A-I型、B-I型、C-I型为硬件电路实训单元；A-II、B-II、C-II型软件编程实训单元。其中，I型PCB电路板设计为：每个IC芯片、LED数码管安装IC插座（便于实训测试及损坏时易更换），且每个IC芯片间、LED数码管间的连接线被两只针形插座隔断，预留板外飞线实现硬件电路的连接；II型PCB电路板设计为：每个IC芯片、LED数码管安装IC插座（实训中损坏时易更换），布线按照原理图全部完成，用于编写程序的下载、调试与运行。

3.2.2 主从分布式实训装置通信部分控制程序

以B型主机实训控制单元为例，给出主从分布式实训装置部分通信C语言程序[2，6]如下：

图1 主机实训控制单元A型原理图

图2 主机实训控制单元B型原理图

图3 从机实训控制单元C型原理图

主机通过键盘读取指令、LED显示数据、SCI串口发送接收数据，实现了主机和从机的实时通信，通过Send_byte（）函数，把控制指令发送给从机，从机通过Receive_byte(void)函数接收指令，在发送、接收数据处理过程中，软件要设置适当的延时处理时间。

4 结语

嵌入式PIC单片机主从分布式实训装置为学生做中学PIC单片机主从分布式控制系统的硬件电路设计、软件编程搭建起了学习的平台。本文提出了主从分层控制的思路，即：底层从机负责本地实时数据的快速响应；主机承担人机对话、远程显示等功能。学生通过在该实训装置上的训练，即可掌握PIC单片机的软硬件知识，又能提高动手能力，使学生能够更好地适应工作岗位的技能要求。