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不同單片機之間該如何對話

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瀏覽:- 發布日期:2019-05-20 08:30:53【

幾種常用單片機之間的通信方式

觸摸IC芯片

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;

⑦包尾——指示數據包的結尾,有利于包完整性檢測,有時可省略。

(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。

4 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發下優點:

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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