MB89P475的UART/SIO结构与应用

    摘要：MB89P475是富士通公司生产的八位单片机。该单片机具有丰富的软、硬件资源和良好的EMC性能，可广泛应用于家电控制等产品中。该器件内含两路UART/SIO接口，非常适用于计算机集中控制和管理的多级通信控制系统中。文中介绍了该单片机的特点和UART/SIO结构，给出了MB89P475在LSP300型中央空调的计算机集控系统中的设计应用方法。

    关键词：MB89P475；单片机；中央空调；计算机集控系统

ＭＢ８９Ｐ４７５是富士通公司生产的Ｆ２ＭＣ－８Ｌ ＭＢ８９４７０单片机系列产品。该产品具有丰富的软、硬件资源和良好的ＥＭＣ性能，而且其程序空间（１６ｋ×８ｂｉｔｓ ＰＲＯＭ）和数据空间（５１２×８ｂｉｔｓ ＲＡＭ）大小适中,定时器资源和中断资源丰富。双路ＵＡＲＴ／ＳＩＯ接口的设置是该产品的一大特点。在指令设计方面，利用该单片机可以直接进行１６位数据的比较和算术运算。ＭＢ８９Ｐ４７５的高性价比和合理的资源配置，使其可以广泛应用于家用电器控制和工业控制等应用领域。此外，在多级数据通信控制系统的开发设计中，ＭＢ８９Ｐ４７５也是一款不可多得的单片机产品。

１　ＭＢ８９Ｐ４７５简介

１．１ 引脚功能

ＭＢ８９Ｐ４７５（ＯＴＰ型号）相应的掩膜（ＭＡＳＫ）产品型号为ＭＢ８９４７５，它具有两种封装形式，分别是４８－ｐｉｎ Ｐｌａｓｔｉｃ ＳＨ－ＤＩＰ和４８－ｐｉｎ Ｐｌａｓｔｉｃ ＱＦＰ封装。本文以ＳＨ－ＤＩＰ封装形式为例来介绍其引脚定义，图１所示是该封装的引脚排列图，现将各引脚的功能说明如下：

Ｘ０，Ｘ１：振荡器输入、输出；

ＭＯＤＥ：模式设定引脚，使用时，该引脚通常直接接地；

ＲＳＴ：复位脚，低电平复位；

Ｐ００／ＡＮ０～Ｐ０７／ＡＮ７：通用Ｉ／Ｏ口或Ａ／Ｄ输入口；

Ｐ１０～Ｐ１３：通用Ｉ／Ｏ口或沿触发中断输入口；

Ｐ１４～Ｐ１７：通用Ｉ／Ｏ口或定时器输入（ＥＣ）、输出口（ＴＯ）；

Ｐ２０～Ｐ２２：通用Ｉ／Ｏ口或ＵＡＲＴ／ＳＩＯ１的时钟输入、数据输出和输入口；

Ｐ２３：通用Ｉ／Ｏ口或ＰＷＣ（脉宽测量）输入口；

Ｐ２４：通用Ｉ／Ｏ口或ＰＷＭ（脉宽调制）输出口；

Ｐ２５～Ｐ２７：通用Ｉ／Ｏ口或ＵＡＲＴ／ＳＩＯ２的数据输入、数据输出、时钟输入口；

Ｐ３０＊～Ｐ３６＊：大电流驱动输出口，其中，Ｐ３０／ＢＵＺ＊可作蜂鸣器驱动口；

Ｐ４０～Ｐ４１：在ＭＢ８９Ｐ４７５（１０２）（单时钟系统）中为通用输入口，在ＭＢ８９Ｐ４７５（２０２）（双时钟系统）中为副时钟连接引脚；

Ｐ４２：通用输入口；

Ｐ５０～Ｐ５４：通用Ｉ／Ｏ口或电平触发中断输入口（低电平中断）；

Ｃ：接０．１μＦ电容到地；

Ｖｃｃ、Ｖｓｓ：电源（＋５Ｖ）和接地（ＧＮＤ）引脚；

Ａｖｃｃ、Ａｖｓｓ：Ａ／Ｄ电路的参考电源和地。

１．２ 主要特点

ＭＢ８９Ｐ４７５内含六个定时器，分别为：ＰＷＣ（脉宽测量）定时器（可用作时间间隔定时器）、ＰＷＭ（脉宽调制）定时器（可用作时间间隔定时器）、２个８／１６ｂｉｔ 定时／计数器、一个２１－ｂｉｔ时间基准定时器和一个Ｗａｔｃｈ比例器。此外，ＭＢ８９Ｐ４７５还具有如下特点：

●带有蜂鸣器驱动，可由程序选择７种驱动信号频率；

●可外部中断，包括４个沿触发中断通道和５个电平触发中断通道；

●内含８通道１０位Ａ／Ｄ转换器；

图3

    ●内含ＵＡＲＴ／ＳＩＯ 异步／同步数据接收／发射器；

●可低功耗工作，具有Ｓｔｏｐ模式、Ｓｌｅｅｐ模式、副时钟模式、Ｗａｔｃｈ模式等多种工作模式；

●带有Ｗａｔｃｈｄｏｇ 定时复位功能；

●最大可用３９路Ｉ／Ｏ口。

２　ＭＢ８９Ｐ４７５的ＵＡＲＴ／ＳＩＯ结构

ＭＢ８９Ｐ４７５的最大特点就是内部集成了一个ＵＡＲＴ／ＳＩＯ通用串行数据通信接口，可通过片内双缓冲器实现全双工双向通信?同时?ＵＡＲＴ／ＳＩＯ可编程配置为异步或同步通信模式；其内部波特率发生器既可以选择１４种不同的波特率?也可由外部时钟设置波特率?其数据传输格式见表１所列。该数据传输格式基于ＮＲＺ（不归零）系统。

表1 UART/SIO数据格式

ＭＢ８９Ｐ４７５内含六个寄存器，分述如下：

（１） ＳＭＣ１１／２１：模式控制寄存器１（地址：００２６Ｈ／００２ＢＨ，初始化值：００００００００Ｈ）的格式如下：

其中，ＭＤ为通信模式控制位，该位为０为异步通信（ＵＡＲＴ），为１时同步通信（ＳＩＯ）；

ＰＥＮ为校验控制位，该位为０表示无校验，为１表示有校验（由Ｂｉｔ５选择奇、偶校验）；

ＴＤＰ为奇、偶校验位，０为偶校验，１为奇校验；

ＳＢＬ是停止位长度控制位，０ 为选择１Ｂｉｔ停止位，１为选择２ Ｂｉｔ停止位；

ＣＬ为字符长度控制位，０ 为选择７ Ｂｉｔ数据长度，１为选择８ Ｂｉｔ数据长度；

ＣＬＫ２～ＣＬＫ０：通信时钟选择位，具体操作见表２所列。

表2 时钟选择

（２）ＳＭＣ１２／２２：模式控制寄存器２（地址：００２７Ｈ／００２ＣＨ，初始化值：００００００００Ｈ）的格式如下：

其中，ＲＥＲＣ：各接收标志清除位。置０时，清除所有错误标志，置１无效；

ＲＸＥ：数据接收允许位，置０时禁止接收，置１时允许接收；

ＴＸＥ：数据发射允许位，置０时禁止发射，置１时允许发射；

ＢＲＧＥ：波特率发生器启动位，０为停止，１为启动；

ＴＸＯＥ：串行数据输出允许位，置０时，Ｐ２１／ＳＯ１、Ｐ２６／ＳＯ２为通用Ｉ／Ｏ口，置１时，Ｐ２１／ＳＯ１、Ｐ２６／ＳＯ２为串行数据输出口；

ＳＣＫＥ：串行时钟输出允许位，置０时，Ｐ２０／ＳＣＫ１、Ｐ２７／ＳＣＫ２为通用Ｉ／Ｏ口或串行时钟输入口，置１时，Ｐ２０／ＳＣＫ１、Ｐ２７／ＳＣＫ２为串行时钟输出口；

ＲＩＥ：接收中断允许位，置０时，接收中断禁止，置１时，接收中断允许；

ＴＩＥ：发射中断允许位，置０时，发射中断禁止，置１时，发射中断允许。

（３） ＳＳＤ１／２：状态与数据寄存器（地址：００２８Ｈ／００２ＤＨ，初始化值：００００１－－－Ｈ），格式如下：

其中，ＰＲＥ：为校验错误标志，０为无校验错误，１为校验错误；

ＯＶＥ：溢出错误标志，０为无溢出错误，１为溢出错误；

ＦＥＲ：帧错误标志，０为无帧错误，１为帧错误；

ＲＤＲＦ：接收数据寄存器满标志，０为寄存器空，１为接收数据满；

ＴＤＲＥ：发射数据寄存器空标志，０为发射数据满，１为寄存器空。

这里，ＳＳＤ１／２是只读寄存器。若接收中断允许（ＲＩＥ＝１），那么任何错误标志置“１”都将产生接收中断。因此，在程序中将ＲＥＲＣ（ＳＭＣ１２／２２中的Ｂｉｔ７）置“１”，可将各错误标志清零。

（４）ＳＲＣ１／２：波特率控制寄存器（地址：００２ＡＨ／００２ＦＨ，初始化值：ｘｘｘｘｘｘｘｘＨ）

当ＳＭＣ１１／ＳＭＣ２１寄存器中的ＣＬＫ２ ～ ＣＬＫ０设为“０１１”时，由于选择的是波特率发生器作为串行时钟（异步通信方式使用），因此，只有在ＵＡＲＴ／ＳＩＯ停止工作时，写入ＳＲＣ１／２的数据才有效。此时，波特率计算方法如下（ＣＬＫ２～ＣＬＫ０设为“０１１”）：

波特率＝１／（１６ｎＴｉｎｔ）

式中，ｎ为写入ＳＲＣ１／２的数值，Ｔｉｎｔ为指令周期，其值可通过对相关寄存器编程设定为４／ｆｃｈ、８／ｆｃｈ、１６／ｆｃｈ、６４／ｆｃｈ（其中ｆｃｈ为系统时钟振荡器频率）。

（５） ＳＩＤＲ１／２： 输入数据寄存器（地址：００２９Ｈ／００２ＥＨ，初始化值：ｘｘｘｘｘｘｘｘＨ）

该寄存器用于存放接收到的数据。当数据接收完成时，ＲＳＲＦ位（ＳＳＤ１／２中的Ｂｉｔ４）被置“１”，此时若接收中断允许，将产生接收中断请求。读出接收数据后，ＲＳＲＦ位自动清“０”。

系统检测到接收中断请求后，应检查ＲＳＲＦ位是否为“１”，若为“０”，说明该中断是由于接收错误产生的，ＳＩＤＲ１／２并未接收到数据，此时应在相应的程序中作相应处理。

（６） ＳＯＤＲ１／２：输出数据寄存器（地址：００２９Ｈ／００２ＥＨ，初始化值：ｘｘｘｘｘｘｘｘＨ）

ＳＯＤＲ１／２与ＳＩＤＲ１／２具有相同的地址。发射允许时，将发射数据写入该寄存器即可直接转送到发射寄存器，并通过发射移位寄存器发送到串行数据输出口（ＳＯ１／２）。

图5

    发射数据写入ＳＯＤＲ１／２寄存器时，发射数据标志位ＴＤＲＥ同时被清“０”，发射数据转送到发射移位寄存器后，ＴＤＲＥ被置“１”，意味着ＳＯＤＲ１／２寄存器可以写入下一个发射数据，同时，若发射中断允许，将产生发射中断请求。

若将发射数据长度设为７ Ｂｉｔｓ，则数据的第７位（最高位）无效。

３　ＬＳＲ３００型集控系统的构成

图２所示为ＬＳＲ３００型中央空调计算机集控系统的结构框图，该系统采用ＲＳ－４８５总线结构方式，由计算机控制管理平台、ＲＳ－２３２／ＲＳ－４８５转换模块、１４个控制终端（包括通信板和主控系统，其控制终端数量可以根据实际要求增加或减少）组成。其中计算机控制管理平台主要用于数据通信、系统检测、功能设定和控制以及查询等管理工作。

系统中的ＲＳ－２３２／ＲＳ－４８５转换模块由ＭＡＸ-ＩＭ公司生产的ＭＡＸ４９１Ｅ、ＭＡＸ２３２Ａ组成，该模块的电路连接如图３所示。

通信板由ＭＢ８９Ｐ４７５为核心组成，其结构如图４所示。图中的ＲＳ－４８５接口由ＭＡＸ４９１Ｅ完成，接收器处于常通状态（ＲＥ接地），发射器的选通（ＤＥ端）由ＭＢ８９Ｐ４７５的Ｐ２．７口控制（高电平选通）。通信板主要完成以下功能：

（１） 用拨码开关实现各控制终端的地址编码；

（２） 机组的本地操作控制与显示（包括本地查询、设置和控制）；

（３） 分别与计算机和主控系统通信，实现主控系统与计算机之间的数据传送。其中，与计算机之间采用ＲＳ－４８５总线方式进行连接，而与主控系统之间则采用电流环方式连接；

（４） 记忆机组的设定信息、故障信息和累计运行时间。

此外，系统中的主控系统也可采用ＬＳＲ３００中央空调单机组控制系统实现（详见参考资料?１?）。

４　ＭＢ８９Ｐ４７５的通信软件设计

４．１ 通信板与计算机通信

（１）通信协议

通信板与计算机的通信采用ＲＳ－４８５总线方式连接，通信过程由计算机主控，通信数据采用ＲＳ－２３２标准数据格式[２]。

当通信板接收到正确的同步码和地址码时，表示该通信板可以与计算机通信。此时可选择ＭＢ８９Ｐ４７５的ＵＡＲＴ／ＳＩＯ２为ＵＡＲＴ（两线异步）通信模式，通信数据格式定义为１位起始位，８位数据长度和１位停止位，无校验位。

（２）软件设计

ＵＡＲＴ／ＳＩＯ２相关寄存器初始化如下：

ＭＯＶ ＳＣＲ２，＃１０４ ；设定波特率＝１２００ｂｐｓ（系统时钟Ｆｃｈ＝８．０００ＭＨｚ）

ＭＯＶ ＳＭＣ２１，＃００００１０１１Ｂ ；选择ＵＡＲＴ模式，１Ｂｉｔ停止位，８Ｂｉｔｓ数据长度，无校验位

ＭＯＶ ＳＭＣ２２，＃０１１１１０１０Ｂ ；允许接收中断，禁止发射中断，发射允许，接收允许

数据发射采用查询方式进行，即发射子程序置于主程序循环中，可通过查询发射数据寄存器空标志位ＴＤＲＥ决定是否写入下一个发射数据。发射子程序流程图如图５所示。

数据接收采用中断方式进行。程序进入接收中断服务程序时，应首先根据接收数据满标志位ＲＤＲＦ的状态来判断中断请求是否是由于接收错误产生的（产生中断时，接收数据满标志位ＲＤＲＦ＝０），然后由判断结果决定是接收数据还是进行出错处理。中断服务程序的流程图如图６所示。

４．２ 通信板与主控系统通信

（１）通信协议

通信板与主控系统的通信采用电流环方式实现，这样可以增强通信的可靠性。通信过程由通信板主控，通信数据采用ＲＳ－２３２标准数据格式[２]。

可选择ＭＢ８９Ｐ４７５的ＵＡＲＴ／ＳＩＯ１为ＵＡＲＴ（两线异步）通信模式，通信数据格式定义为１位起始位，８位数据长度和１位停止位，无校验位。

(２)软件设计

相关寄存器初始化如下：

ＭＯＶ ＳＣＲ１，＃５２ ；设定波特率＝２４００ｂｐｓ（系统时钟Ｆｃｈ＝８．０００ＭＨｚ）

ＭＯＶ ＳＭＣ１１，＃００００１０１１Ｂ ；选择ＵＡＲＴ模式，１Ｂｉｔ停止位，８Ｂｉｔｓ数据长度，无校验位

ＭＯＶ ＳＭＣ１２，＃０１１１１０１０Ｂ ；允许接收中断，禁止发射中断，发射允许，接收允许

具体的编程方法与通信板和计算机的通信编程方法相同。

５　结语

虽然ＭＢ８９Ｐ４７５的双路ＵＡＲＴ／ＳＩＯ结构具有灵活、安全的特点，但合理的程序设计也至关重要。在ＬＳＲ３００中央空调计算机集控系统中，以ＭＢ８９Ｐ４７５为核心设计的通信板，充分合理地利用了ＭＢ８９Ｐ４７５的双路ＵＡＲＴ／ＳＩＯ资源。它可以作为各控制终端与计算机交换数据的枢纽，同时还避免了主控系统的重复开发。目前该系统已投入使用，其方便、灵活的操作模式和安全可靠的运行已得到了用户的肯定。