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,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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)入時(shí)間、讀寫(xiě)次數(shù)無(wú)限,沒(méi)有分布結(jié)構(gòu)可以連續(xù)寫(xiě)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?,F(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(xiě)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(xiě)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(xiě)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。
步驟 ? 單片機(jī)1 ? 單片機(jī)2 ? A線 ? B線 ?
1 ? 總線空閑 ? 總線空閑 ? 1 ? 1 ?
2 ? 獲取總線控制權(quán) ? 其它操作 ? 0 ? 1 ?
3 ? 向FRAM內(nèi)單片機(jī)2的數(shù)據(jù)接收區(qū)寫(xiě)入一包通信數(shù)據(jù) ? 其它操作 ? 0 ? 1 ?
4 ? 向B線發(fā)送走個(gè)負(fù)脈沖,通知單片機(jī)2,啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器 ? 其它操作 ? 0 ? 負(fù)脈沖 ?
5 ? 其它操作 ? 響應(yīng)來(lái)自B線的脈沖,讀取FRAM內(nèi)數(shù)據(jù)接收區(qū)的內(nèi)容(無(wú)須獲取總線操作) ? 0 ? 1 ?
6 ? 其它操作 ? 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,向FRAM內(nèi)單片機(jī)1的數(shù)據(jù)接收區(qū)寫(xiě)入回傳數(shù)據(jù)或通信失敗標(biāo)志 ? 0 ? 1 ?
7 ? 其它操作 ? 向B線發(fā)送1個(gè)負(fù)脈沖,通知單片機(jī)1 ? 0 ? 負(fù)脈沖 ?
8 ? 清超時(shí)定時(shí)器,讀取數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容。如果失敗可以做重發(fā)或其它處理;如果成功則拉高A線,釋放I2C總線,1次通信工程結(jié)束 ? 其它操作 ? 1 ? 1 ?
9 ? 如果超時(shí)定時(shí)器溢出,說(shuō)明單片機(jī)2沒(méi)有響應(yīng)單片機(jī)1的通知,可以做重發(fā)或故障處理 ? ? ? ?
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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(mén)存放參數(shù)的芯片。
評(píng)論
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