单片机开发中各个单片机通讯方式

几种常用单片机之间的通信方式

①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。

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。

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。

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。

⑤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。

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。

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。

利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式

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。

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。

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。

（2）I2C 总线仲裁

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。

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。

（3）通信协议

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：

①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；

②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；

③包长度——指示整个数据包的长度；

④命令——指示本数据包的作用；

⑤参数——需要传送的数据与参数；

⑥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；

（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。

如果需要单片机 2 发送的话，只需交换一下操作过程即可。

总结

通过实践可知，以上方法是可行的。与其它方法相比具有以下优点：

①简单。占用单片机口线少（SCL、SDA、握手线 A、握手线 B）。

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。

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。

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。

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。

以下是需要注意的地方：

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。

②向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断。

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。

④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。

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