一種基于鐵電存儲器的雙機串行通信技術(shù)

摘要：分析不同種類(lèi)單片機之間通信的方式及難點(diǎn)，提出一種基鐵電存儲器的解決方案與實(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：單片機通信鐵電存儲器I2C總線(xiàn)仲裁通信協(xié)議

誰(shuí)著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機也步如一個(gè)新的時(shí)代，越來(lái)越多的功能各異的單片機為我們的設計提供了許多新的方法與思路。對于莫一些場(chǎng)合，比如：復雜的后臺運算及通信與高實(shí)時(shí)性前臺控制系統、軟件資源消耗大的系統、功能強大的低消耗系統、加密系統等等。如果合理使用多種不同類(lèi)型的單片機組合設計，可以得到極高靈活性與性能價(jià)格比，因此，多種異型單片機系統設計漸漸成為一種新的思路，但單片機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(xiàn)少，有效、可靠的通信方式；但遺憾的是許多小型單片機沒(méi)有硬件 UART，有些也只有1個(gè)UART，如果系統還要與上位機通信的話(huà)，硬件資源是不夠的。這種方法一般用于單片機有應件UART且不需與外界進(jìn)行串行通信或采用雙UART單片機的場(chǎng)合。

②采用片內SPI接口或2C總線(xiàn)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(kāi)銷(xiāo)會(huì )形成一個(gè)很大的矛盾，處理不好會(huì )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(chǎng)合。

④口對口并行通信，利用單片機的口線(xiàn)直接相連，加上1～2條握手信號線(xiàn)。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(xiàn)，而且數據傳遞是準同步的。在一個(gè)單片機向另一個(gè)單片機傳送1個(gè)字節以后，必須等到另一個(gè)單片機的接收響應信號后才能傳送下一個(gè)數據。一般用于一些硬件口線(xiàn)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)存儲器的指令直接操作；但這種方式需要大量的口線(xiàn)，而且雙口RAM的價(jià)格很高，一般只用于一些對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)單的單片機上實(shí)現，因此尋求一種簡(jiǎn)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(gè)字節做出響應，通信數據量較大時(shí)會(huì )耗費大量的軟件資源，這在一些實(shí)時(shí)性要求高的地方是不允許的。針對這一問(wèn)題，假設在單片機之間增加1個(gè)數據緩沖器，大批數據先寫(xiě)入緩沖區，然后再讓對方去取，各個(gè)單片機對數據緩沖器都是主控模式，這樣必然會(huì )大大提高通信效率。談到數據緩沖，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(xiàn)（數據線(xiàn)+地址線(xiàn)+讀寫(xiě)線(xiàn)+片選線(xiàn)+握手線(xiàn)），一般在16條以上。這是一個(gè)讓人望而生畏的數字，而且會(huì )大大增加PCB面積并給布線(xiàn)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(mǎi)到而且價(jià)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(jìn)先出”結構，所以不管傳遞數據多少，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(mǎi)的。一種被稱(chēng)為“鐵電存儲器”芯片的出現，給我們帶來(lái)了解決方法。

2 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公司剛剛推出的一種新型非易失性存儲器件，簡(jiǎn)稱(chēng)FRAM。與普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需寫(xiě)入時(shí)間、讀寫(xiě)次數無(wú)限，沒(méi)有分布結構可以連續寫(xiě)放的優(yōu)點(diǎn)，因此具有RAM與EEPROM的雙得特性，而且價(jià)格相對較低?，F在大多數的單片機系統配備串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用來(lái)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(gè)（或多個(gè)）單片機與1片FRAM接成多主-從的I2C總線(xiàn)方式，增加幾條握手線(xiàn)，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)現簡(jiǎn)單、高效、可靠的通信了。

3 實(shí)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(gè)電池供電、可遠程通信的工業(yè)流量計。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，負責流量的非線(xiàn)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。通信接口部分線(xiàn)路如圖1所示，2個(gè)單片機共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）組成二主一從的I2C總線(xiàn)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(xiàn)A與B。我們把握手線(xiàn)A（簡(jiǎn)稱(chēng)A線(xiàn)）定義為總線(xiàn)控制、指示線(xiàn)，主要用于獲取總線(xiàn)控制權與判別總線(xiàn)是否“忙”；握手線(xiàn)B（簡(jiǎn)稱(chēng)B線(xiàn)）定義為通知線(xiàn)，主要用于通知對方取走數據。

（2）I2C總線(xiàn)仲裁

由于我們采用的是二主一從的I2C總線(xiàn)方式，因此防止2個(gè)主機同時(shí)去操作從機（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，器件內部有1個(gè)總線(xiàn)仲裁器與總線(xiàn)超時(shí)定時(shí)器：當總線(xiàn)超時(shí)定時(shí)器超時(shí)后指示總線(xiàn)空閑，這時(shí)單片機可以發(fā)出獲取總線(xiàn)命令，總線(xiàn)仲裁器通過(guò)一系列操作后確認獲取總線(xiàn)成功或失??；超時(shí)定時(shí)器清零，以后的每一個(gè)SCL狀態(tài)變化對總線(xiàn)所有主機的超時(shí)定時(shí)器進(jìn)行清零，以防止它溢出，指示總線(xiàn)正處于“忙”狀態(tài)，直到一個(gè)主機對總線(xiàn)控制結束不再產(chǎn)生SCL脈沖；超時(shí)定時(shí)器溢出，總線(xiàn)重新回到“空閑”狀態(tài)。但是目前大多數單片機沒(méi)有配備硬件I2C模塊，而且當2個(gè)主機的工作頻率相差較大時(shí)，超時(shí)定時(shí)器定時(shí)值只能設為較大的值，這樣也會(huì )影響總線(xiàn)的使用效率。下面介紹一種用軟件模擬I2C總線(xiàn)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(xiàn)A，流程圖如圖2所示，當A線(xiàn)高電平時(shí)，指示總線(xiàn)空閑；當其中一個(gè)主機要獲取總線(xiàn)控制權時(shí)，先查詢(xún)總線(xiàn)是否空閑，“忙”則退出，空閑則向A線(xiàn)發(fā)送一個(gè)測試序列（如：1000101011001011），在每次發(fā)送位“1”后讀取的A線(xiàn)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(xiàn)；如果一個(gè)序列讀取的A線(xiàn)狀態(tài)都正確，則說(shuō)明已成功獲得總線(xiàn)控制權，這時(shí)要拉低A線(xiàn)以指示總線(xiàn)“忙”，直到讀寫(xiě)高A線(xiàn)，使總線(xiàn)回到“空閑”狀態(tài)。不同的主機采用不同的測試序列，或產(chǎn)生隨機測試序列，測試序列長(cháng)度可以選得長(cháng)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。在單片機系統RAM資源與執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通信的協(xié)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(kāi)始，有利于包完整性檢測，有時(shí)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(cháng)度――指示整個(gè)數據包的長(cháng)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(shí)可省略。

（4）通信流程

首先，要在FRAM里劃分好各個(gè)區域，各個(gè)單片機的參數區、數據接收區等。然后，單片機可以向另一個(gè)單片機發(fā)送數據包，發(fā)送完畢之后通過(guò)向握手線(xiàn)B發(fā)送1個(gè)脈沖通知對方取走數據；接收方讀取數據并進(jìn)行處理后，向FRAM內發(fā)送方的數據接收區寫(xiě)入回傳數據或通信失敗標志，再向握手線(xiàn)B發(fā)送1個(gè)脈沖回應發(fā)送方。表3是單片機1啟動(dòng)1次與單片機2之間的通信的例子。

如果需要單片機2發(fā)送的話(huà)，只需交換一下操作過(guò)程即可。

表3

4 總結

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。占用單片機口線(xiàn)少（SCL、SDA、握手線(xiàn)A、握手線(xiàn)B）。

②通用。軟件模擬I2C主機方式，可以在任何種類(lèi)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(shí)鐘頻率、不同速度的單片機之間通信；讀寫(xiě)數據時(shí)，可以I2C總線(xiàn)的最高速度進(jìn)行，可以實(shí)現1次傳送大量數據；在一個(gè)單片機向FRAM傳送數據時(shí)，另一個(gè)單片機無(wú)須一一作出響應或等待，可以進(jìn)行其它程序操作，提高軟件工作效率。

④靈活。通信硬件接口對于各個(gè)單片機是對等的，通過(guò)軟件配置，每個(gè)單片機既可以根據需要主動(dòng)發(fā)送通信，也可以只響應其它單片機的呼叫。

⑤容易擴展。通過(guò)增加地址識別線(xiàn)，修改通信協(xié)議，即可做到多機通信。

以下是需要注意的地址：

①為了提高通信效率，握手線(xiàn)B最好使用中斷端口，負脈沖寬度一定要滿(mǎn)足速度較低單片機中斷信號要求。如果沒(méi)有中斷的話(huà)應增加1條口線(xiàn)，用改變端口狀態(tài)的方法通知對方，等待對方查詢(xún)，而不是負脈沖。

②向對方發(fā)送負脈沖時(shí)，應屏蔽自己的中斷。

③由于參數與通信緩沖區同時(shí)設在同一片FRAM內，要避免對參數部分的誤操作。一個(gè)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(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），這樣可以有效地防止測驗時(shí)對參數區誤操作。

④由于I2C總線(xiàn)在一個(gè)時(shí)間段內只有1個(gè)主機和1個(gè)從機，所以當1個(gè)單片機正在寫(xiě)通信數據時(shí)，另一個(gè)單片機是不能對FRAM進(jìn)行操作的。如果需要實(shí)時(shí)、頻繁地讀取FRAM中參數的話(huà)，請預先將參數讀入RAM單元使用或另外增加專(zhuān)門(mén)存放參數的芯片。