多个单片机的通信方式，这解读也太详细了！

Ber_thaw99

简述常用单片机之间的通信方式* e: m. E+ ^# k6 ^5 h
' ?$ t4 M- D7 a1. 采用硬件UART进行异步串行通信。这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但遗憾的是许多小型单片机没有硬件UART，有些也只有1个UART，如果系统还要与上位机通信的话，硬件资源是不够的。这种方法一般用于单片机有硬件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART单片机的场合。

/ d$ x# r3 Z2 B3 e* ]2. 采用片内SPI接口或I2C总线模块串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易等特点，但目前大多数单片机不具备硬件SPI/I2C模块。8 ]; l1 @7 d% j& ]! X- W
7 A. ~- J/ ^7 Z! q2 `7 V5 e$ |& ^3 e/ j
3. 利用软件模拟SPI/I2C模式通信，这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。
/ M1 ~: E5 r% j6 h3 C
4. 口对口并行通信，利用单片机的口线直接相连，加上1～2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个单片机向另一个单片机传送1个字节以后，必须等到另一个单片机的接收响应信号后才能传送下一个数据。一般用于一些硬件口线比较富裕的场合。' ^( N" U8 f& v% z, ~' T/ `
5 C/ R* f1 r8 o% ?9 U# ~. {: E) i3 s  L8 k
$ |: {' K6 e4 X; l/ P5. 利用双口RAM作为缓冲器通信。这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写存储器的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，而且双口RAM的价格很高，一般只用于一些对速度有特殊要求的场合。
4 S  K+ ^1 q: H: N. N- k0 H' V: T1 K- R
从上面几种方案来看，各种方法对硬件都有很大的要求与限制，特别是难以在功能简单的单片机上实现，因此寻求一种简单、有效的，能在各种单片机之间通信的方法具有重要的意义。③、④方案中，双方单片机要传递的每一位或每一个字节做出响应，通信数据量较大时会耗费大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。" p; V( s! q: f. Q) e' H5 f8 L

# t! ~! |2 z; ?4 C: a  t3 C8 `, I5 {' B# u2 G  b  O; `3 w; G
针对这一问题，假设在单片机之间增加1个数据缓冲器，大批数据先写入缓冲区，然后再让对方去取，各个单片机对数据缓冲器都是主控模式，这样必然会大大提高通信效率。谈到数据缓冲，我们马上会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般在16条以上。这是一个让人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积并给布线带来一定的困难，极少有人采用这种方式。串行接口的RAM在市场上很少见，不但难以买到而且价格很高。移位寄存器也可以做数据缓冲器，但目前容量最大的也只128位，因为是“先进先出”结构，所以不管传递数据多少，接收方必须移完整个寄存器，灵活性差而且大容量的移位寄存器也是少见难买的。一种被称为“铁电存储器”芯片的出现，给我们带来了解决方法。
7 e: m( b7 m+ f* T6 b( A; R- Y* w' O. A
9 a( j1 [8 x5 m3 l/ U( ]! M, W% z/ \: `+ a1 G8 z6 x. q
0 y4 u1 x, H2 r0 T利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式
: b# s7 z7 ?( Y$ f$ Q铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种非易失性存储器件，简称FRAM。与普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与EEPROM的双得特性，而且价格相对较低。. J4 t8 s8 @7 n7 {
5 q9 V" ^# X5 e5 s" U. P$ w& K9 y0 S4 x5 j/ C' G' Q% c/ W
现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。

, G3 M/ [7 O  W# |1 a, ]
实例（双单片机结构，多功能低功耗系统）
（1）硬件
W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式，W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。我们把握手线A（简称A线）定义为总线控制、指示线，主要用于获取总线控制权与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。
" T* U' q  p  H" I5 k  `
& \$ f& s: ^% K" G  j6 F; X& O（2）I2C总线仲裁' B; }! g! j0 C6 j' T
8 y( l2 \/ h9 j7 }1 i& ~& A由于我们采用的是二主一从的I2C总线方式，因此防止2个主机同时去操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。带有硬件I2C模块的器件一般是这样的，器件内部有1个总线仲裁器与总线超时定时器：当总线超时定时器超时后指示总线空闲，这时单片机可以发出获取总线命令，总线仲裁器通过一系列操作后确认获取总线成功或失败；超时定时器清零，以后的每一个SCL状态变化对总线所有主机的超时定时器进行清零，以防止它溢出，指示总线正处于“忙”状态，直到一个主机对总线控制结束不再产生SCL脉冲；超时定时器溢出，总线重新回到“空闲”状态。但是目前大多数单片机没有配备硬件I2C模块，而且当2个主机的工作频率相差较大时，超时定时器定时值只能设为较大的值，这样也会影响总线的使用效率。
% m$ A. E8 f+ Y, U, E2 \
下面介绍一种用软件模拟I2C总线仲裁的方式（I2C读写操作程序的软件模拟十分多见，这里不再多述）：用1条握手线A，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。
* Y8 H3 U- i5 E( S3 K2 x' \! @4 y( j# A" t! w: y
, [9 [2 X8 {) V  A' h3 ]$ l5 ^7 V（3）通信协议+ F  \& ]% t. m- s
一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在单片机系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于单片机通信的协议，数据以包的形式传送。数据包结构：
! F, ]9 H) h/ t* `  e) u0 f7 d& t3 ~( A. X7 _
+ y# {7 |# r/ x& v①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；
3 s' G" f! a5 }" w9 d9 S8 f
* d) h$ L. V# T4 |- Q# x0 C②地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略；. m9 [% F( H2 [! ?; \

# j$ C, d0 f4 F$ _③包长度——指示整个数据包的长度；. }+ R/ M6 U3 Z2 L5 q
# k) S$ a3 K  A' p% Z( r
. H( g, O' f2 B; G
④命令——指示本数据包的作用；

$ G/ e5 u1 p& o7 u) G; k% r0 k⑤参数——需要传送的数据与参数；4 M4 T7 X  e: z. k6 b1 H0 ~4 y
/ p( O$ u, j* W  k5 k; s6 w! }
4 \1 x, N+ i7 c" X, Q⑥校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合；

⑦包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。
8 \; C2 Q0 v# d7 H

（4）通信流程
首先，要在FRAM里划分好各个区域，各个单片机的参数区、数据接收区等。然后，单片机可以向另一个单片机发送数据包，发送完毕之后通过向握手线B发送1个脉冲通知对方取走数据；接收方读取数据并进行处理后，向FRAM内发送方的数据接收区写入回传数据或通信失败标志，再向握手线B发送1个脉冲回应发送方。: J0 @  R' ~- e* D$ l
- a% i( h" P7 r7 r- t- Q( D
8 X* E3 c! O  {; @* }; ~如果需要单片机2发送的话，只需交换一下操作过程即可。
& i3 W, O  w! X& {  a

8 w$ m1 J% Y) t( f$ t' L总结
+ M5 r, [( {) n6 M) ]8 I$ k通过实践可知，以上方法是可行的。与其它方法相比具有发下优点：

8 m, i5 C" ~- d0 w; @# o0 t①简单。占用单片机口线少（SCL、SDA、握手线A、握手线B）。! X5 @0 _6 k9 A9 U* T6 e7 w* x
. Q( Z1 I5 z( A' x
②通用。软件模拟I2C主机方式，可以在任何种类的单片机之间通信。* N8 o) {7 |- F/ v

③高效。由于采用数据缓冲，可以在不同时钟频率、不同速度的单片机之间通信；读写数据时，可以I2C总线的最高速度进行，可以实现1次传送大量数据；在一个单片机向FRAM传送数据时，另一个单片机无须一一作出响应或等待，可以进行其它程序操作，提高软件工作效率。
) s( ^  L4 E# \' v$ I1 a
④灵活。通信硬件接口对于各个单片机是对等的，通过软件配置，每个单片机既可以根据需要主动发送通信，也可以只响应其它单片机的呼叫。
, ?+ e( a+ L* d8 [6 Q: g6 a9 ~
⑤容易扩展。通过增加地址识别线，修改通信协议，即可做到多机通信。' C5 ~$ w8 L( B$ m- p$ E
; F! C$ M2 l7 m3 V$ @2 I
  b4 r6 L8 m! p0 n3 V6 _) m" P6 j
' {7 u9 S$ }; h以下是需要注意的地方：: y4 W' f2 c4 G  h9 @6 U
( `+ C1 D) e% g' }
①为了提高通信效率，握手线B最好使用中断端口，负脉冲宽度一定要满足速度较低单片机中断信号要求。如果没有中断的话应增加1条口线，用改变端口状态的方法通知对方，等待对方查询，而不是负脉冲。
3 H+ J& u$ F9 \9 m' [
1 n, C- C0 i( I% I/ x  l②向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断。4 P- v" |2 L& P/ o2 I; V7 {
" N0 V1 m! K& @; q, u- k2 [" A
③由于参数与通信缓冲区同时设在同一片FRAM内，要避免对参数部分的误操作。一个较好的解决办法是把参数存放在地址的后半部分（A2=1），在进行通信操作时，把FRAM的WP引脚拉高（地址在后半部分的单元写保护），这样可以有效地防止测验时对参数区误操作。) p4 m# O/ u9 |1 d
# s) d9 ~( T# {% G: r6 f1 t; u" a1 k' ?8 H) r/ M
& N2 v+ b% e" [4 v5 n④由于I2C总线在一个时间段内只有1个主机和1个从机，所以当1个单片机正在写通信数据时，另一个单片机是不能对FRAM进行操作的。如果需要实时、频繁地读取FRAM中参数的话，请预先将参数读入RAM单元使用或另外增加专门存放参数的芯片。

  W' Q2 G. `: g+ E! C# {( S% T8 \: E6 `2 L