單片機開發中各個單片機通訊方式

幾種常用單片機之間的通信方式

①采用硬件 UART 進行異步串行通信。這是一種占用口線少，有效、可靠的通信方式；但遺憾的是許多小型單片機沒有硬件 UART，有些也只有 1 個 UART，如果系統還要與上位機通信的話，硬件資源是不夠的。這種方法一般用于單片機有硬件 UART 且不需與外界進行串行通信或采用雙 UART 單片機的場合。

②采用片內 SPI 接口或 I2C 總線模塊串行通信形式。SPI/I2C 接口具有硬件簡單、軟件編程容易等特點，但目前大多數單片機不具備硬件 SPI/I2C 模塊。

③利用軟件模擬 SPI/I2C 模式通信，這種方式很難模擬從機模式，通信雙方對每一位要做出響應，通信速率與軟件資源的開銷會形成一個很大的矛盾，處理不好會導致系統整體性能急劇下降。這種方法只能用于通信量極少的場合。

④口對口并行通信，利用單片機的口線直接相連，加上 1～2 條握手信號線。這種方式的特點是通信速度快，1 次可以傳輸 4 位或 8 位，甚至更多，但需要占用大量的口線，而且數據傳遞是準同步的。在一個單片機向另一個單片機傳送 1 個字節以后，必須等到另一個單片機的接收響應信號后才能傳送下一個數據。一般用于一些硬件口線比較富裕的場合。

⑤利用雙口 RAM 作為緩沖器通信。這種方式的最大特點就是通信速度快，兩邊都可以直接用讀寫存儲器的指令直接操作；但這種方式需要大量的口線，而且雙口 RAM 的價格很高，一般只用于一些對速度有特殊要求的場合。

從上面幾種方案來看，各種方法對硬件都有很大的要求與限制，特別是難以在功能簡單的單片機上實現，因此尋求一種簡單、有效的，能在各種單片機之間通信的方法具有重要的意義。③、④方案中，雙方單片機要傳遞的每一位或每一個字節做出響應，通信數據量較大時會耗費大量的軟件資源，這在一些實時性要求高的地方是不允許的。

針對這一問題，假設在單片機之間增加 1 個數據緩沖器，大批數據先寫入緩沖區，然后再讓對方去取，各個單片機對數據緩沖器都是主控模式，這樣必然會大大提高通信效率。談到數據緩沖，我們馬上會想到并行 RAM，但是并行 RAM 需要占用大量的口線（數據線+地址線+讀寫線+片選線+握手線），一般在 16 條以上。這是一個讓人望而生畏的數字，而且會大大增加 PCB 面積并給布線帶來一定的困難，極少有人采用這種方式。串行接口的 RAM 在市場上很少見，不但難以買到而且價格很高。移位寄存器也可以做數據緩沖器，但目前容量最大的也只 128 位，因為是“先進先出”結構，所以不管傳遞數據多少，接收方必須移完整個寄存器，靈活性差而且大容量的移位寄存器也是少見難買的。一種被稱為“鐵電存儲器”芯片的出現，給我們帶來了解決方法。

利用鐵電存儲器作為數據緩沖器的通信方式

鐵電存儲器是美國 Ramtran 公司推出的一種非易失性存儲器件，簡稱 FRAM。與普通 EEPROM、Flash-ROM 相比，它具有不需寫入時間、讀寫次數無限，沒有分布結構可以連續寫放的優點，因此具有 RAM 與 EEPROM 的雙得特性，而且價格相對較低。

現在大多數的單片機系統配備串行 EEPROM（如 24CXX、93CXX 等）用來存儲參數。如果用 1 片 FRAM 代替原有 EEPROM，使它既能存儲參數，又能作串行數據通信的緩沖器。2 個（或多個）單片機與 1 片 FRAM 接成多主 - 從的 I2C 總線方式，增加幾條握手線，即可得到簡單高效的通信硬件電路。在軟件方面，只要解決好 I2C 多主 - 從的控制沖突與通信協議問題，即可實現簡單、高效、可靠的通信了。

實例（雙單片機結構，多功能低功耗系統）

（1）硬件

W78LE52 與 EMC78P458 組成一個電池供電、可遠程通信的工業流量計。78P458 采用 32.768kHz 晶振，工作電流低，不間斷工作，實時采集傳感器的脈沖及溫度、壓力等一些模擬量；W78LE52 采 11.0592MHz 晶振，由于它的工作電流較大，采用間斷工作，負責流量的非線性校正、參數輸入、液晶顯示、與上位機通信等功能，它的 UART 用于遠程通信。2 個單片機共用 1 片 I2C 接口的 FRAM（FM24CL16）組成二主一從的 I2C 總線控制方式，W78LE52 的 P3.5、P3.2 分別與 78P458 的 P51、P50 連接作握手信號線 A 與 B。我們把握手線 A（簡稱 A 線）定義為總線控制、指示線，主要用于獲取總線控制權與判別總線是否“忙”；握手線 B（簡稱 B 線）定義為通知線，主要用于通知對方取走數據。

（2）I2C 總線仲裁

由于我們采用的是二主一從的 I2C 總線方式，因此防止 2 個主機同時去操作從機（防沖突）是一個非常重要的問題。帶有硬件 I2C 模塊的器件一般是這樣的，器件內部有 1 個總線仲裁器與總線超時定時器：當總線超時定時器超時后指示總線空閑，這時單片機可以發出獲取總線命令，總線仲裁器通過一系列操作后確認獲取總線成功或失敗；超時定時器清零，以后的每一個 SCL 狀態變化對總線所有主機的超時定時器進行清零，以防止它溢出，指示總線正處于“忙”狀態，直到一個主機對總線控制結束不再產生 SCL 脈沖；超時定時器溢出，總線重新回到“空閑”狀態。但是目前大多數單片機沒有配備硬件 I2C 模塊，而且當 2 個主機的工作頻率相差較大時，超時定時器定時值只能設為較大的值，這樣也會影響總線的使用效率。

下面介紹一種用軟件模擬 I2C 總線仲裁的方式（I2C 讀寫操作程序的軟件模擬十分多見，這里不再多述）：用 1 條握手線 A，當 A 線高電平時，指示總線空閑；當其中一個主機要獲取總線控制權時，先查詢總線是否空閑，“忙”則退出，空閑則向 A 線發送一個測試序列（如：1000101011001011），在每次發送位“1”后讀取的 A 線狀態。如果讀取狀態為“0”，馬上退出，說明有其它器件已經搶先獲取總線；如果一個序列讀取的 A 線狀態都正確，則說明已成功獲得總線控制權，這時要拉低 A 線以指示總線“忙”，直到讀寫高 A 線，使總線回到“空閑”狀態。不同的主機采用不同的測試序列，或產生隨機測試序列，測試序列長度可以選得長一些，這樣可以增加仲裁的可靠性。

（3）通信協議

一個可靠通信體系，除了好的硬件電路外，通信協議也至關重要。在單片機系統 RAM 資源與執行速度都非常有限的情況下，一個簡捷有效的協議是非常重要的。下面具體介紹一種比較適用于單片機通信的協議，數據以包的形式傳送。數據包結構：

①包頭——指示數據包的開始，有利于包完整性檢測，有時可省略；

②地址——數據包要傳送的目標地址，若只有雙機通信或硬件區分地址可以省略；

③包長度——指示整個數據包的長度；

④命令——指示本數據包的作用；

⑤參數——需要傳送的數據與參數；

⑥校驗——驗證數據包的正確性，可以是和校驗、異或校驗、CRC 校驗等或者是它們的組合；

（4）通信流程

首先，要在 FRAM 里劃分好各個區域，各個單片機的參數區、數據接收區等。然后，單片機可以向另一個單片機發送數據包，發送完畢之后通過向握手線 B 發送 1 個脈沖通知對方取走數據；接收方讀取數據并進行處理后，向 FRAM 內發送方的數據接收區寫入回傳數據或通信失敗標志，再向握手線 B 發送 1 個脈沖回應發送方。

如果需要單片機 2 發送的話，只需交換一下操作過程即可。

總結

通過實踐可知，以上方法是可行的。與其它方法相比具有以下優點：

①簡單。占用單片機口線少（SCL、SDA、握手線 A、握手線 B）。

②通用。軟件模擬 I2C 主機方式，可以在任何種類的單片機之間通信。

③高效。由于采用數據緩沖，可以在不同時鐘頻率、不同速度的單片機之間通信；讀寫數據時，可以 I2C 總線的最高速度進行，可以實現 1 次傳送大量數據；在一個單片機向 FRAM 傳送數據時，另一個單片機無須一一作出響應或等待，可以進行其它程序操作，提高軟件工作效率。

④靈活。通信硬件接口對于各個單片機是對等的，通過軟件配置，每個單片機既可以根據需要主動發送通信，也可以只響應其它單片機的呼叫。

⑤容易擴展。通過增加地址識別線，修改通信協議，即可做到多機通信。

以下是需要注意的地方：

①為了提高通信效率，握手線 B 最好使用中斷端口，負脈沖寬度一定要滿足速度較低單片機中斷信號要求。如果沒有中斷的話應增加 1 條口線，用改變端口狀態的方法通知對方，等待對方查詢，而不是負脈沖。

②向對方發送負脈沖時，應屏蔽自己的中斷。

③由于參數與通信緩沖區同時設在同一片 FRAM 內，要避免對參數部分的誤操作。一個較好的解決辦法是把參數存放在地址的后半部分（A2=1），在進行通信操作時，把 FRAM 的 WP 引腳拉高（地址在后半部分的單元寫保護），這樣可以有效地防止測驗時對參數區誤操作。

④由于 I2C 總線在一個時間段內只有 1 個主機和 1 個從機，所以當 1 個單片機正在寫通信數據時，另一個單片機是不能對 FRAM 進行操作的。如果需要實時、頻繁地讀取 FRAM 中參數的話，請預先將參數讀入 RAM 單元使用或另外增加專門存放參數的芯片。

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