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一種基于鐵電存儲(chǔ)器的雙機(jī)串行通信技術(shù)
摘要：分析不同種類單片機(jī)之間通信的方式及難點(diǎn)，提出一種基鐵電存儲(chǔ)器的解決方案與實(shí)例。包括一個(gè)可靠通信協(xié)議和流程以及此方法的優(yōu)點(diǎn)和需要注意的方法。關(guān)鍵詞：單片機(jī)通信鐵電存儲(chǔ)器I2C總線仲裁通信協(xié)議
誰(shuí)著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)也步如一個(gè)新的時(shí)代，越來(lái)越多的功能各異的單片機(jī)為我們的設(shè)計(jì)提供了許多新的方法與思路。對(duì)于莫一些場(chǎng)合，比如：復(fù)雜的后臺(tái)運(yùn)算及通信與高實(shí)時(shí)性前臺(tái)控制系統(tǒng)、軟件資源消耗大的系統(tǒng)、功能強(qiáng)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(jī)組合設(shè)計(jì)，可以得到極高靈活性與性能價(jià)格比，因此，多種異型單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)漸漸成為一種新的思路，但單片機(jī)之間的通信一直是困擾這種方法拓展的主要問(wèn)題。本文將分析比較幾種單片機(jī)之間的方式、難點(diǎn)，并提出一種解決方案。
1 幾種常用單片機(jī)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(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，硬件資源是不夠的。這種方法一般用于單片機(jī)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(jī)的場(chǎng)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(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，(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)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。
④口對(duì)口并行通信，利用單片機(jī)的口線直接相連，加上1～2條握手信號(hào)線。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，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比較富余的場(chǎng)合。
⑤利用雙口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存儲(chǔ)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(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（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(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)難買的。一種被稱為“鐵電存儲(chǔ)器”芯片的出現(xiàn)，給我們帶來(lái)了解決方法。
2 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公司剛剛推出的一種新型非易失性存儲(chǔ)器件，簡(jiǎn)稱FRAM。與普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需寫入時(shí)間、讀寫次數(shù)無(wú)限，沒(méi)有分布結(jié)構(gòu)可以連續(xù)寫放的優(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F(xiàn)RAM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(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。
3 實(shí)例（雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)，多功能低功耗系統(tǒng)）
（1）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。通信接口部分線路如圖1所示，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A與B。我們把握手線A（簡(jiǎn)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(jiǎn)稱B線）定義為通知線，主要用于通知對(duì)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(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)總線仲裁器與總線超時(shí)定時(shí)器：當(dāng)總線超時(shí)定時(shí)器超時(shí)后指示總線空閑，這時(shí)單片機(jī)可以發(fā)出獲取總線命令，總線仲裁器通過(guò)一系列操作后確認(rèn)獲取總線成功或失��；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，指示總線正處于“忙”狀態(tài)，直到一個(gè)主機(jī)對(duì)總線控制結(jié)束不再產(chǎn)生SCL脈沖；超時(shí)定時(shí)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(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(jiàn)，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(shí)，指示總線空閑；當(dāng)其中一個(gè)主機(jī)要獲取總線控制權(quán)時(shí)，先查詢總線是否空閑，“忙”則退出，空閑則向A線發(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；如果一個(gè)序列讀取的A線狀態(tài)都正確，則說(shuō)明已成功獲得總線控制權(quán)，這時(shí)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(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。
（3）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)：
①包頭——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；
②地址——數(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；
③包長(zhǎng)度——指示整個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度；
④命令——指示本數(shù)據(jù)包的作用；
⑤參數(shù)——需要傳送的數(shù)據(jù)與參數(shù)；
⑥校驗(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；
⑦包尾——指示數(shù)據(jù)包的結(jié)尾，有利于包完整性檢測(cè)，有時(shí)可省略。
（4）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(gè)脈沖回應(yīng)發(fā)送方。表3是單片機(jī)1啟動(dòng)1次與單片機(jī)2之間的通信的例子。
如果需要單片機(jī)2發(fā)送的話，只需交換一下操作過(guò)程即可。
表3
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)：
①簡(jiǎn)單。占用單片機(jī)口線少（SCL、SDA、握手線A、握手線B）。
②通用。軟件模擬I2C主機(jī)方式，可以在任何種類的單片機(jī)之間通信。
③高效。由于采用數(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；讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，可以I2C總線的最高速度進(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。
④靈活。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。
⑤容易擴(kuò)展。通過(guò)增加地址識(shí)別線，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址：
①為了提高通信效率，握手線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(jī)中斷信號(hào)要求。如果沒(méi)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(duì)方，等待對(duì)方查詢，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F(xiàn)RAM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。
④由于I2C總線在一個(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，請(qǐng)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。
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