越來越多的功能各異的單片機為我們的設(shè)計提供了許多新的方法與思路,。對于莫一些場合,，比如：復(fù)雜的后臺運算及通信與高實時性前臺控制系統(tǒng),、軟件資源消耗大的系統(tǒng),、功能強大的低消耗系統(tǒng)、加密系統(tǒng)等等,。如果合理使用多種不同類型的單片機組合設(shè)計,，可以得到極高靈活性與性能價格比，因此,，多種異型單片機系統(tǒng)設(shè)計漸漸成為一種新的思路,，但單片機之間的通信一直是困擾這種方法拓展的主要問題,。
本文將分析比較幾種單片機之間的方式,、難點，并提出一種解決方案,。
1 ,、幾種常用單片機之間的通信方式
①采用硬件UART進(jìn)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(tǒng)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應(yīng)件UART且不需與外界進(jìn)行串行通信或采用雙UART單片機的場合,。
②采用片內(nèi)SPI接口或2C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(shù)單片機不具備硬件SPI/I2C模塊,。
?、劾密浖MSPI/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(yīng),，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(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(shù)據(jù)傳遞是準(zhǔn)同步的,。在一個單片機向另一個單片機傳送1個字節(jié)以后，必須等到另一個單片機的接收響應(yīng)信號后才能傳送下一個數(shù)據(jù),。一般用于一些硬件口線比較富余的場合,。
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(xiàn)，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(jié)做出響應(yīng),，通信數(shù)據(jù)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(shè)在單片機之間增加1個數(shù)據(jù)緩沖器，大批數(shù)據(jù)先寫入緩沖區(qū),，然后再讓對方去取,，各個單片機對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)緩沖器,，但目前容量最大的也只128位，因為是“先進(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(xiàn),，給我們帶來了解決方法。
2 ,、利用鐵電存儲器作為數(shù)據(jù)緩沖器的通信方式
鐵電存儲器是美國Ramtran公司剛剛推出的一種新型非易失性存儲器件,，簡稱FRAM。與普通EEPROM,、Flash-ROM相比,，它具有不需寫入時間,、讀寫次數(shù)無限,，沒有分布結(jié)構(gòu)可以連續(xù)寫放的優(yōu)點，因此具有RAM與EEPROM的雙得特性,，而且價格相對較低?，F(xiàn)在大多數(shù)的單片機系統(tǒng)配備串行EEPROM（如24CXX,、93CXX等）用來存儲參數(shù)。如果用1片F(xiàn)RAM代替原有EEPROM,，使它既能存儲參數(shù),，又能作串行數(shù)據(jù)通信的緩沖器。2個（或多個）單片機與1片F(xiàn)RAM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(xié)議問題,，即可實現(xiàn)簡單、高效,、可靠的通信了,。
3、 實例（雙單片機結(jié)構(gòu),，多功能低功耗系統(tǒng)）
?。?）硬件
W78LE52與EMC78P458組成一個電池供電、可遠(yuǎn)程通信的工業(yè)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(fù)責(zé)流量的非線性校正,、參數(shù)輸入,、液晶顯示、與上位機通信等功能,，它的UART用于遠(yuǎn)程通信,。通信接口部分線路如圖1所示，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(quán)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(shù)據(jù),。
（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(nèi)部有1個總線仲裁器與總線超時定時器：當(dāng)總線超時定時器超時后指示總線空閑,，這時單片機可以發(fā)出獲取總線命令,，總線仲裁器通過一系列操作后確認(rèn)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(tài)變化對總線所有主機的超時定時器進(jìn)行清零，以防止它溢出,，指示總線正處于“忙”狀態(tài),，直到一個主機對總線控制結(jié)束不再產(chǎn)生SCL脈沖；超時定時器溢出,，總線重新回到“空閑”狀態(tài),。但是目前大多數(shù)單片機沒有配備硬件I2C模塊，而且當(dāng)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(shè)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,，流程圖如圖2所示，當(dāng)A線高電平時,，指示總線空閑,；當(dāng)其中一個主機要獲取總線控制權(quán)時，先查詢總線是否空閑,，“忙”則退出,，空閑則向A線發(fā)送一個測試序列（如：1000101011001011），在每次發(fā)送位“1”后讀取的A線狀態(tài),。如果讀取狀態(tài)為“0”,，馬上退出，說明有其它器件已經(jīng)搶先獲取總線,；如果一個序列讀取的A線狀態(tài)都正確,，則說明已成功獲得總線控制權(quán)，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(tài)。不同的主機采用不同的測試序列，或產(chǎn)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,。
?。?）通信協(xié)議
一個可靠通信體系，除了好的硬件電路外,，通信協(xié)議也至關(guān)重要,。在單片機系統(tǒng)RAM資源與執(zhí)行速度都非常有限的情況下，一個簡捷有效的協(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)包的開始,，有利于包完整性檢測，有時可省略,；
?、诘刂贰獢?shù)據(jù)包要傳送的目標(biāo)地址，若只有雙機通信或硬件區(qū)分地址可以省略,；
?、郯L度——指示整個數(shù)據(jù)包的長度；
?、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灐炞C數(shù)據(jù)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；
?、甙病甘緮?shù)據(jù)包的結(jié)尾,，有利于包完整性檢測，有時可省略,。
?。?）通信流程
首先，要在FRAM里劃分好各個區(qū)域,，各個單片機的參數(shù)區(qū),、數(shù)據(jù)接收區(qū)等。然后,，單片機可以向另一個單片機發(fā)送數(shù)據(jù)包,，發(fā)送完畢之后通過向握手線B發(fā)送1個脈沖通知對方取走數(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)寫入回傳數(shù)據(jù)或通信失敗標(biāo)志,，再向握手線B發(fā)送1個脈沖回應(yīng)發(fā)送方,。表3是單片機1啟動1次與單片機2之間的通信的例子。
如果需要單片機2發(fā)送的話,，只需交換一下操作過程即可,。
4 、總結(jié)
通過實踐可知,，以上方法是可行的,。與其它方法相比具有發(fā)下優(yōu)點：
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。
?、鄹咝?。由于采用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，可以I2C總線的最高速度進(jìn)行,，可以實現(xiàn)1次傳送大量數(shù)據(jù),；在一個單片機向FRAM傳送數(shù)據(jù)時，另一個單片機無須一一作出響應(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(jù)需要主動發(fā)送通信,，也可以只響應(yīng)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(xié)議，即可做到多機通信,。
以下是需要注意的地址：
?、贋榱颂岣咄ㄐ判剩帐志€B最好使用中斷端口,，負(fù)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(yīng)增加1條口線,，用改變端口狀態(tài)的方法通知對方,，等待對方查詢，而不是負(fù)脈沖,。
?、谙?qū)Ψ桨l(fā)送負(fù)脈沖時，應(yīng)屏蔽自己的中斷,。
?、塾捎趨?shù)與通信緩沖區(qū)同時設(shè)在同一片F(xiàn)RAM內(nèi)，要避免對參數(shù)部分的誤操作,。一個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，把FRAM的WP引腳拉高（地址在后半部分的單元寫保護(hù)）,，這樣可以有效地防止測驗時對參數(shù)區(qū)誤操作,。
④由于I2C總線在一個時間段內(nèi)只有1個主機和1個從機,，所以當(dāng)1個單片機正在寫通信數(shù)據(jù)時,，另一個單片機是不能對FRAM進(jìn)行操作的。如果需要實時,、頻繁地讀取FRAM中參數(shù)的話,，請預(yù)先將參數(shù)讀入RAM單元使用或另外增加專門存放參數(shù)的芯片。