C8051 F1 20与RS422息线的时钟同步技术

引 言
    由于指令的速度不断加快，单片机在各个方面的性能大为提高，比如多个单片机之间的时钟同步。Silicon Labs公司的C8051F系列单片机的执行速度最高可以达到100MIPS，这使得更高精度的时钟同步成为可能。时钟同步是一个在多单片机相互配合时经常遇到的问题，主要有两种同步方式——绝对同步和相对同步。绝对同步是指各个控制器和一个标准的时间进行同步，比如北京时间、华盛顿时间等等；而相对时钟同步是指各个单片机和一个相对稳定的时钟进行同步，与外界的时间没有联系。本文主要针对RS422总线组成的网络的高精度时钟同步问题，提出了一种相对时钟同步解决方案。

1 整体框架结构
    RS422网络中，多个单片机的连接如图1所示。这是一个典型的“一主多从”式结构：主单片机通过向从单片机发送命令，实现管理功能；从单片机主要执行具体的功能，比如数据采集、D／A转换输出等。为了使多个单片机能够同步工作，需要一种同步方式，所以从单片机不但要实现各自的具体功能，而且还要能够进行多个单片机的时钟同步。本方案设计了从单片机的几种工作状态。R和T分别表示R+、R-和T+、T-。

2 从单片机的状态机
    本文重点介绍系统时钟同步功能的实现，但是在实际应用过程中，该系统必定要实现其他的功能，比如数据采集、模拟量输出等。主单片机的作用是控制从单片机工作，所以要使从单片机具有不同的工作状态。本文设计了3种工作状态：准备态、时钟同步态、工作态。3种工作状态之间的相互转换过程如图2所示。图中，①代表主单片机向从单片机发送“工作”命令；②代表主单片机向从单片机发送“时钟同步”命令；③代表主单片机向从单片机发送“工作态向时钟同步态转换”命令；④代表主单片机向从单片机发送“时钟同步态向工作态转换”命令。

    准备态是从单片机上电后的工作状态，当主单片机向某一从单片机发送“是否准备好”命令后，若从单片机回复“准备好”，则说明从设备已经处于准备好的状态，可以向时钟同步态和工作态进行转换。如果从单片机处于工作态，主单片机发送“工作态向时钟同步态转换”命令，则从时钟进入时钟同步态；如果从单片机处于时钟同步态，主单片机发送“时钟同步态向工作态转换”命令，则从单片机由时钟同步态转换到工作态。

3 时钟同步设计的基本原理
    本方案采用多个C8051F120单片机组成RS422网络。C8051F120单片机具有高达100MIPS的执行速度，也就是1μs可以执行100条单周期指令，所以定时器定时1μs可以达到1％的精度。而RS4．22总线组成的网络是“一主多从”式结构，网络中每个设备都有自己的时钟，时钟采用定时器实现，1μs触发一次。主设备和从设备的时钟偏差产生有两个原因；一是某些随机因素产生的误差；二是由于晶振的运行速度不同引起的误差，此误差的产生主要受温度的影响，而温度又是由工作环境来决定的。本文采用相对时钟同步的方法来减小这种误差的影响。
    该方法分为2步：
    ①主设备每2 s进行一次时钟同步。主设备首先发送报文master_a(该报文本身不含发送时间)，之后再发送一帧带有该报文发送时间信息的报文master_b。这样，从设备可以分析出主设备的同步报文的发送时间T1和接收时间T2(如无特殊标注，文中所涉及的时间变量都是以μs为单位的)。从设备再发送一个报文slave_c，并记下这个报文的发送时间T3，主设备接到该报文后记下接收时间T4，并把T4发给从设备，从设备就有了T1、T2、T3、T4的值。由于主设备和从设备都采用同一波特率进行串行通信，所以只要保证主设备的报文和从设备的报文发送的字节数相同，就可以看成主设备和从设备的发送时间和接收时间是相同的，即图3中的T1、T2、T3、T4四点构成的是等腰梯形。所以主设备和从设备之间的时间偏差：
   

    从设备的时间T_Slave减去从设备和主设备之间的偏差△，即校正后的时间。但此时校正后的结果只是改变从设备的时钟误差，并没有改变从时钟的时钟频率。随着时间的增长，这个误差就又会出现，因此想要减小这个误差必须采用进一步的方法。
    ②进行时钟频率的校正。C8051F120单片机的指令速度很快(可达100MIPS)，这就为单片机应用内部定时器实现频率可调时钟创造了有利条件。本文多次测量从设备和主设备之间的时间误差来求取平均值，作为主从时钟在规定时间内的从设备和主设备之间的误差，通过这个误差来修正从设备的时钟频率。具体做法为：测量5次从设备和主设备之间的偏差△1～△5，采用平均值滤波法得到的结果△z作为2 s的时间偏差。
   
    其中，t代表1μs内时钟的偏差量，单位是0．01 μs。只须修改定时器的相应寄存器，就可以达到调整时钟频率的目的。

4 系统的硬件连接
    各个单片机采用RS422总线进行互联，形成一个“一主多从”的结构。RS422接口电路如图4所示。接口芯片采用Maxim公司的MAX489，其中DI、RO连接在C8051F120单片机的串口上，用端子J将各个RS422的各路信号引出。

5 时钟同步软件设计
    时钟同步部分的软件设计包括主、从单片机的工作过程，以及频率可调时钟部分和时钟校准部分的实现，但不包括状态转换功能的实现。
    编者注：主从机程序略。

结 语
    时钟同步问题是多单片机同步工作面临的一个重要问题。本文针对RS422网络的时钟同步工作问题，提出了一种相对时钟同步解决方案；并应用单片机片内定时器设计了一个频率可调时钟，在没有增加硬件成本的前提下，明显地减小了不同单片机之间的时钟偏差。