幾種常用單片機(jī)之間的通信方式

　?、俨捎糜布?UART 進(jìn)行異步串行通信,。這是一種占用口線(xiàn)少,，有效、可靠的通信方式,；但遺憾的是許多小型單片機(jī)沒(méi)有硬件 UART,，有些也只有 1 個(gè) UART，如果系統(tǒng)還要與上位機(jī)通信的話(huà),，硬件資源是不夠的,。這種方法一般用于單片機(jī)有硬件 UART 且不需與外界進(jìn)行串行通信或采用雙 UART 單片機(jī)的場(chǎng)合。

　?、诓捎闷瑑?nèi) SPI 接口或 I2C 總線(xiàn)模塊串行通信形式,。SPI/I2C 接口具有硬件簡(jiǎn)單、軟件編程容易等特點(diǎn),，但目前大多數(shù)單片機(jī)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(jī)模式,，通信雙方對(duì)每一位要做出響應(yīng)，通信速率與軟件資源的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)形成一個(gè)很大的矛盾,，處理不好會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能急劇下降,。這種方法只能用于通信量極少的場(chǎng)合。

　?、芸趯?duì)口并行通信,，利用單片機(jī)的口線(xiàn)直接相連，加上 1～2 條握手信號(hào)線(xiàn),。這種方式的特點(diǎn)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(xiàn),，而且數(shù)據(jù)傳遞是準(zhǔn)同步的。在一個(gè)單片機(jī)向另一個(gè)單片機(jī)傳送 1 個(gè)字節(jié)以后,，必須等到另一個(gè)單片機(jī)的接收響應(yīng)信號(hào)后才能傳送下一個(gè)數(shù)據(jù),。一般用于一些硬件口線(xiàn)比較富裕的場(chǎng)合。

　?、堇秒p口 RAM 作為緩沖器通信,。這種方式的最大特點(diǎn)就是通信速度快，兩邊都可以直接用讀寫(xiě)存儲(chǔ)器的指令直接操作,；但這種方式需要大量的口線(xiàn),，而且雙口 RAM 的價(jià)格很高，一般只用于一些對(duì)速度有特殊要求的場(chǎng)合,。

　　從上面幾種方案來(lái)看,，各種方法對(duì)硬件都有很大的要求與限制,，特別是難以在功能簡(jiǎn)單的單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此尋求一種簡(jiǎn)單,、有效的,，能在各種單片機(jī)之間通信的方法具有重要的意義。③,、④方案中,，雙方單片機(jī)要傳遞的每一位或每一個(gè)字節(jié)做出響應(yīng)，通信數(shù)據(jù)量較大時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的軟件資源,，這在一些實(shí)時(shí)性要求高的地方是不允許的,。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，假設(shè)在單片機(jī)之間增加 1 個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器,，大批數(shù)據(jù)先寫(xiě)入緩沖區(qū),，然后再讓對(duì)方去取，各個(gè)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)緩沖器都是主控模式,，這樣必然會(huì)大大提高通信效率,。談到數(shù)據(jù)緩沖，我們馬上會(huì)想到并行 RAM,，但是并行 RAM 需要占用大量的口線(xiàn)（數(shù)據(jù)線(xiàn)+地址線(xiàn)+讀寫(xiě)線(xiàn)+片選線(xiàn)+握手線(xiàn)）,，一般在 16 條以上。這是一個(gè)讓人望而生畏的數(shù)字,，而且會(huì)大大增加 PCB 面積并給布線(xiàn)帶來(lái)一定的困難,，極少有人采用這種方式。串行接口的 RAM 在市場(chǎng)上很少見(jiàn),，不但難以買(mǎi)到而且價(jià)格很高,。移位寄存器也可以做數(shù)據(jù)緩沖器，但目前容量最大的也只 128 位,，因?yàn)槭恰跋冗M(jìn)先出”結(jié)構(gòu),，所以不管傳遞數(shù)據(jù)多少，接收方必須移完整個(gè)寄存器,，靈活性差而且大容量的移位寄存器也是少見(jiàn)難買(mǎi)的,。一種被稱(chēng)為“鐵電存儲(chǔ)器”芯片的出現(xiàn)，給我們帶來(lái)了解決方法,。

　　利用鐵電存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)緩沖器的通信方式

　　鐵電存儲(chǔ)器是美國(guó) Ramtran 公司推出的一種非易失性存儲(chǔ)器件,，簡(jiǎn)稱(chēng) FRAM,。與普通 EEPROM,、Flash-ROM 相比，它具有不需寫(xiě)入時(shí)間,、讀寫(xiě)次數(shù)無(wú)限,，沒(méi)有分布結(jié)構(gòu)可以連續(xù)寫(xiě)放的優(yōu)點(diǎn),，因此具有 RAM 與 EEPROM 的雙得特性，而且價(jià)格相對(duì)較低,。

　　現(xiàn)在大多數(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)配備串行 EEPROM（如 24CXX,、93CXX 等）用來(lái)存儲(chǔ)參數(shù)。如果用 1 片 FRAM 代替原有 EEPROM,，使它既能存儲(chǔ)參數(shù),，又能作串行數(shù)據(jù)通信的緩沖器。2 個(gè)（或多個(gè)）單片機(jī)與 1 片 FRAM 接成多主 - 從的 I2C 總線(xiàn)方式,，增加幾條握手線(xiàn),，即可得到簡(jiǎn)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(xié)議問(wèn)題,，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效,、可靠的通信了,。

　　實(shí)例（雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)，多功能低功耗系統(tǒng)）

　?。?）硬件

　　W78LE52 與 EMC78P458 組成一個(gè)電池供電,、可遠(yuǎn)程通信的工業(yè)流量計(jì)。78P458 采用 32.768kHz 晶振,，工作電流低,，不間斷工作，實(shí)時(shí)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(fù)責(zé)流量的非線(xiàn)性校正、參數(shù)輸入,、液晶顯示,、與上位機(jī)通信等功能，它的 UART 用于遠(yuǎn)程通信,。2 個(gè)單片機(jī)共用 1 片 I2C 接口的 FRAM（FM24CL16）組成二主一從的 I2C 總線(xiàn)控制方式,，W78LE52 的 P3.5、P3.2 分別與 78P458 的 P51,、P50 連接作握手信號(hào)線(xiàn) A 與 B,。我們把握手線(xiàn) A（簡(jiǎn)稱(chēng) A 線(xiàn)）定義為總線(xiàn)控制、指示線(xiàn)，主要用于獲取總線(xiàn)控制權(quán)與判別總線(xiàn)是否“忙”,；握手線(xiàn) B（簡(jiǎn)稱(chēng) B 線(xiàn)）定義為通知線(xiàn),，主要用于通知對(duì)方取走數(shù)據(jù)。

　?。?）I2C 總線(xiàn)仲裁

　　由于我們采用的是二主一從的 I2C 總線(xiàn)方式,，因此防止 2 個(gè)主機(jī)同時(shí)去操作從機(jī)（防沖突）是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。帶有硬件 I2C 模塊的器件一般是這樣的,，器件內(nèi)部有 1 個(gè)總線(xiàn)仲裁器與總線(xiàn)超時(shí)定時(shí)器：當(dāng)總線(xiàn)超時(shí)定時(shí)器超時(shí)后指示總線(xiàn)空閑,，這時(shí)單片機(jī)可以發(fā)出獲取總線(xiàn)命令，總線(xiàn)仲裁器通過(guò)一系列操作后確認(rèn)獲取總線(xiàn)成功或失??；超時(shí)定時(shí)器清零，以后的每一個(gè) SCL 狀態(tài)變化對(duì)總線(xiàn)所有主機(jī)的超時(shí)定時(shí)器進(jìn)行清零,，以防止它溢出,，指示總線(xiàn)正處于“忙”狀態(tài)，直到一個(gè)主機(jī)對(duì)總線(xiàn)控制結(jié)束不再產(chǎn)生 SCL 脈沖,；超時(shí)定時(shí)器溢出,，總線(xiàn)重新回到“空閑”狀態(tài)。但是目前大多數(shù)單片機(jī)沒(méi)有配備硬件 I2C 模塊,，而且當(dāng) 2 個(gè)主機(jī)的工作頻率相差較大時(shí),，超時(shí)定時(shí)器定時(shí)值只能設(shè)為較大的值，這樣也會(huì)影響總線(xiàn)的使用效率,。

　　下面介紹一種用軟件模擬 I2C 總線(xiàn)仲裁的方式（I2C 讀寫(xiě)操作程序的軟件模擬十分多見(jiàn),，這里不再多述）：用 1 條握手線(xiàn) A，當(dāng) A 線(xiàn)高電平時(shí),，指示總線(xiàn)空閑,；當(dāng)其中一個(gè)主機(jī)要獲取總線(xiàn)控制權(quán)時(shí)，先查詢(xún)總線(xiàn)是否空閑,，“忙”則退出,，空閑則向 A 線(xiàn)發(fā)送一個(gè)測(cè)試序列（如：1000101011001011），在每次發(fā)送位“1”后讀取的 A 線(xiàn)狀態(tài),。如果讀取狀態(tài)為“0”,，馬上退出，說(shuō)明有其它器件已經(jīng)搶先獲取總線(xiàn),；如果一個(gè)序列讀取的 A 線(xiàn)狀態(tài)都正確,，則說(shuō)明已成功獲得總線(xiàn)控制權(quán)，這時(shí)要拉低 A 線(xiàn)以指示總線(xiàn)“忙”,，直到讀寫(xiě)高 A 線(xiàn),，使總線(xiàn)回到“空閑”狀態(tài),。不同的主機(jī)采用不同的測(cè)試序列，或產(chǎn)生隨機(jī)測(cè)試序列,，測(cè)試序列長(zhǎng)度可以選得長(zhǎng)一些,，這樣可以增加仲裁的可靠性,。

　?。?）通信協(xié)議

　　一個(gè)可靠通信體系，除了好的硬件電路外,，通信協(xié)議也至關(guān)重要,。在單片機(jī)系統(tǒng) RAM 資源與執(zhí)行速度都非常有限的情況下，一個(gè)簡(jiǎn)捷有效的協(xié)議是非常重要的,。下面具體介紹一種比較適用于單片機(jī)通信的協(xié)議,，數(shù)據(jù)以包的形式傳送。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)：

　?、侔^——指示數(shù)據(jù)包的開(kāi)始,，有利于包完整性檢測(cè)，有時(shí)可省略,；

　?、诘刂贰獢?shù)據(jù)包要傳送的目標(biāo)地址，若只有雙機(jī)通信或硬件區(qū)分地址可以省略,；

　?、郯L(zhǎng)度——指示整個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度；

　?、苊睢甘颈緮?shù)據(jù)包的作用,；

　　⑤參數(shù)——需要傳送的數(shù)據(jù)與參數(shù),；

　?、扌ｒ?yàn)——驗(yàn)證數(shù)據(jù)包的正確性，可以是和校驗(yàn),、異或校驗(yàn),、CRC 校驗(yàn)等或者是它們的組合；

　?、甙病甘緮?shù)據(jù)包的結(jié)尾,，有利于包完整性檢測(cè)，有時(shí)可省略,。

　?。?）通信流程

　　首先，要在 FRAM 里劃分好各個(gè)區(qū)域,，各個(gè)單片機(jī)的參數(shù)區(qū),、數(shù)據(jù)接收區(qū)等,。然后，單片機(jī)可以向另一個(gè)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包,，發(fā)送完畢之后通過(guò)向握手線(xiàn) B 發(fā)送 1 個(gè)脈沖通知對(duì)方取走數(shù)據(jù),；接收方讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，向 FRAM 內(nèi)發(fā)送方的數(shù)據(jù)接收區(qū)寫(xiě)入回傳數(shù)據(jù)或通信失敗標(biāo)志,，再向握手線(xiàn) B 發(fā)送 1 個(gè)脈沖回應(yīng)發(fā)送方,。

　　如果需要單片機(jī) 2 發(fā)送的話(huà)，只需交換一下操作過(guò)程即可,。

　　4 總結(jié)

　　通過(guò)實(shí)踐可知,，以上方法是可行的。與其它方法相比具有發(fā)下優(yōu)點(diǎn)：

　?、俸?jiǎn)單,。占用單片機(jī)口線(xiàn)少（SCL、SDA,、握手線(xiàn) A,、握手線(xiàn) B）。

　?、谕ㄓ?。軟件模擬 I2C 主機(jī)方式，可以在任何種類(lèi)的單片機(jī)之間通信,。

　?、鄹咝АＳ捎诓捎脭?shù)據(jù)緩沖,，可以在不同時(shí)鐘頻率,、不同速度的單片機(jī)之間通信；讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),，可以 I2C 總線(xiàn)的最高速度進(jìn)行,，可以實(shí)現(xiàn) 1 次傳送大量數(shù)據(jù)；在一個(gè)單片機(jī)向 FRAM 傳送數(shù)據(jù)時(shí),，另一個(gè)單片機(jī)無(wú)須一一作出響應(yīng)或等待,，可以進(jìn)行其它程序操作，提高軟件工作效率,。

　?、莒`活。通信硬件接口對(duì)于各個(gè)單片機(jī)是對(duì)等的,，通過(guò)軟件配置,，每個(gè)單片機(jī)既可以根據(jù)需要主動(dòng)發(fā)送通信，也可以只響應(yīng)其它單片機(jī)的呼叫,。

　?、萑菀讛U(kuò)展,。通過(guò)增加地址識(shí)別線(xiàn)，修改通信協(xié)議,，即可做到多機(jī)通信,。

　　以下是需要注意的地方：

　　①為了提高通信效率,，握手線(xiàn) B 最好使用中斷端口,，負(fù)脈沖寬度一定要滿(mǎn)足速度較低單片機(jī)中斷信號(hào)要求。如果沒(méi)有中斷的話(huà)應(yīng)增加 1 條口線(xiàn),，用改變端口狀態(tài)的方法通知對(duì)方,，等待對(duì)方查詢(xún),，而不是負(fù)脈沖,。

　　②向?qū)Ψ桨l(fā)送負(fù)脈沖時(shí),，應(yīng)屏蔽自己的中斷,。

　　③由于參數(shù)與通信緩沖區(qū)同時(shí)設(shè)在同一片 FRAM 內(nèi),，要避免對(duì)參數(shù)部分的誤操作,。一個(gè)較好的解決辦法是把參數(shù)存放在地址的后半部分（A2=1），在進(jìn)行通信操作時(shí),，把 FRAM 的 WP 引腳拉高（地址在后半部分的單元寫(xiě)保護(hù)）,，這樣可以有效地防止測(cè)驗(yàn)時(shí)對(duì)參數(shù)區(qū)誤操作。

　?、苡捎?I2C 總線(xiàn)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只有 1 個(gè)主機(jī)和 1 個(gè)從機(jī),，所以當(dāng) 1 個(gè)單片機(jī)正在寫(xiě)通信數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)單片機(jī)是不能對(duì) FRAM 進(jìn)行操作的,。如果需要實(shí)時(shí),、頻繁地讀取 FRAM 中參數(shù)的話(huà)，請(qǐng)預(yù)先將參數(shù)讀入 RAM 單元使用或另外增加專(zhuān)門(mén)存放參數(shù)的芯片,。