在這個數(shù)字化和智能化的時代，單片機(Microcontroller Units, MCUs)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的核心組件。從簡單的家用電器如微波爐和洗衣機，到復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，甚至是高科技的自動駕駛汽車，單片機都扮演著至關(guān)重要的角色。它們不僅負責(zé)執(zhí)行基本的控制任務(wù)，還處理數(shù)據(jù)、管理用戶界面，并與其他設(shè)備進行通信，今天，我們就來深入了解一下單片機的幾種常見通信方式。
想象一下，串行通信就像是一條單行道，數(shù)據(jù)一個接一個地排隊通過。這種方式雖然速度不是最快的，但勝在簡單和成本低。它特別適合那些需要遠距離傳輸數(shù)據(jù)的場合，比如家里的Wi-Fi路由器和你的手機之間的通信。串行通信在現(xiàn)代電子設(shè)備中非常常見，因為它既經(jīng)濟又實用。
對比之下，并行通信就像是一個多車道的高速公路，數(shù)據(jù)可以同時并行傳輸，速度飛快。這種通信方式在需要快速數(shù)據(jù)交換的場合特別有用，比如電腦內(nèi)部的內(nèi)存和處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。不過，并行通信的成本更高，因為它需要更多的線路和接口，而且不適合長距離傳輸，通常用在電路板上的芯片之間。
所以，選擇串行還是并行通信，關(guān)鍵看你的需求。如果你需要經(jīng)濟實惠且能覆蓋遠距離的通信方式，串行通信是個不錯的選擇。但如果你追求速度，比如在高速打印機或高性能計算機中，那么并行通信會更適合你。隨著技術(shù)的發(fā)展，雖然并行通信在某些領(lǐng)域仍然很重要，但串行通信因其靈活性和成本效益，在很多應(yīng)用中越來越受歡迎。
①采用硬件UART進行異步串行通信。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沒有硬件UART，有些也只有1個UART，如果系統(tǒng)還要與上位機通信的話，硬件資源是不夠的。這種方法一般用于單片機有硬件UART且不需與外界進行串行通信或采用雙UART單片機的場合。
②采用片內(nèi)SPI接口或I2C總線模塊串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件簡單、軟件編程容易等特點，但目前大多數(shù)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(yīng)，通信速率與軟件資源的開銷會形成一個很大的矛盾，處理不好會導(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合。
④口對口并行通信，利用單片機的口線直接相連，加上1～2條握手信號線。這種方式的特點是通信速度快，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)傳遞是準同步的。在一個單片機向另一個單片機傳送1個字節(jié)以后，必須等到另一個單片機的接收響應(yīng)信號后才能傳送下一個數(shù)據(jù)。一般用于一些硬件口線比較富裕的場合。
⑤利用雙口RAM作為緩沖器通信。這種方式的最大特點就是通信速度快，兩邊都可以直接用讀寫存儲器的指令直接操作;但這種方式需要大量的口線，而且雙口RAM的價格很高，一般只用于一些對速度有特殊要求的場合。
從上面幾種方案來看，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單的單片機上實現(xiàn)，因此尋求一種簡單、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字節(jié)做出響應(yīng)，通信數(shù)據(jù)量較大時會耗費大量的軟件資源，這在一些實時性要求高的地方是不允許的。
針對這一問題，假設(shè)在單片機之間增加1個數(shù)據(jù)緩沖器，大批數(shù)據(jù)先寫入緩沖區(qū)，然后再讓對方去取，各個單片機對數(shù)據(jù)緩沖器都是主控模式，這樣必然會大大提高通信效率。談到數(shù)據(jù)緩沖，我們馬上會想到并行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。這是一個讓人望而生畏的數(shù)字，而且會大大增加PCB面積并給布線帶來一定的困難，極少有人采用這種方式。串行接口的RAM在市場上很少見，不但難以買到而且價格很高。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，因為是“先進先出”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寄存器，靈活性差而且大容量的移位寄存器也是少見難買的。一種被稱為“鐵電存儲器”芯片的出現(xiàn)，給我們帶來了解決方法。
利用鐵電存儲器作為數(shù)據(jù)緩沖器的通信方式
鐵電存儲器是美國Ramtran公司推出的一種非易失性存儲器件，簡稱FRAM。與普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需寫入時間、讀寫次數(shù)無限，沒有分布結(jié)構(gòu)可以連續(xù)寫放的優(yōu)點，因此具有RAM與EEPROM的雙得特性，而且價格相對較低。
現(xiàn)在大多數(shù)的單片機系統(tǒng)配備串行EEPROM(如24CXX、93CXX等)用來存儲參數(shù)。如果用1片F(xiàn)RAM代替原有EEPROM，使它既能存儲參數(shù)，又能作串行數(shù)據(jù)通信的緩沖器。2個(或多個)單片機與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)議問題，即可實現(xiàn)簡單、高效、可靠的通信了。
實例(雙單片機結(jié)構(gòu)，多功能低功耗系統(tǒng))
(1)硬件
W78LE52與EMC78P458組成一個電池供電、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，實時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(zé)流量的非線性校正、參數(shù)輸入、液晶顯示、與上位機通信等功能，它的UART用于遠程通信。2個單片機共用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連接作握手信號線A與B。我們把握手線A(簡稱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(簡稱B線)定義為通知線，主要用于通知對方取走數(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個主機同時去操作從機(防沖突)是一個非常重要的問題。帶有硬件I2C模塊的器件一般是這樣的，器件內(nèi)部有1個總線仲裁器與總線超時定時器：當(dāng)總線超時定時器超時后指示總線空閑，這時單片機可以發(fā)出獲取總線命令，總線仲裁器通過一系列操作后確認獲取總線成功或失敗;超時定時器清零，以后的每一個SCL狀態(tài)變化對總線所有主機的超時定時器進行清零，以防止它溢出，指示總線正處于“忙”狀態(tài)，直到一個主機對總線控制結(jié)束不再產(chǎn)生SCL脈沖;超時定時器溢出，總線重新回到“空閑”狀態(tài)。但是目前大多數(shù)單片機沒有配備硬件I2C模塊，而且當(dāng)2個主機的工作頻率相差較大時，超時定時器定時值只能設(shè)為較大的值，這樣也會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，這里不再多述)：用1條握手線A，當(dāng)A線高電平時，指示總線空閑;當(dāng)其中一個主機要獲取總線控制權(quán)時，先查詢總線是否空閑，“忙”則退出，空閑則向A線發(fā)送一個測試序列(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，說明有其它器件已經(jīng)搶先獲取總線;如果一個序列讀取的A線狀態(tài)都正確，則說明已成功獲得總線控制權(quán)，這時要拉低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)。不同的主機采用不同的測試序列，或產(chǎn)生隨機測試序列，測試序列長度可以選得長一些，這樣可以增加仲裁的可靠性。
(3)通信協(xié)議
一個可靠通信體系，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(tǒng)RAM資源與執(zhí)行速度都非常有限的情況下，一個簡捷有效的協(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(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)包的開始，有利于包完整性檢測，有時可省略;
③包長度——指示整個數(shù)據(jù)包的長度;
⑥校驗——驗證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的結(jié)尾，有利于包完整性檢測，有時可省略。
(4)通信流程
首先，要在FRAM里劃分好各個區(qū)域，各個單片機的參數(shù)區(qū)、數(shù)據(jù)接收區(qū)等。然后，單片機可以向另一個單片機發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送完畢之后通過向握手線B發(fā)送1個脈沖通知對方取走數(shù)據(jù);接收方讀取數(shù)據(jù)并進行處理后，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)或通信失敗標志，再向握手線B發(fā)送1個脈沖回應(yīng)發(fā)送方。
如果需要單片機2發(fā)送的話，只需交換一下操作過程即可。
4 總結(jié)
通過實踐可知，以上方法是可行的。與其它方法相比具有發(fā)下優(yōu)點：
①簡單。占用單片機口線少(SCL、SDA、握手線A、握手線B)。
②通用。軟件模擬I2C主機方式，可以在任何種類的單片機之間通信。
③高效。由于采用數(shù)據(jù)緩沖，可以在不同時鐘頻率、不同速度的單片機之間通信;讀寫數(shù)據(jù)時，可以I2C總線的最高速度進行，可以實現(xiàn)1次傳送大量數(shù)據(jù);在一個單片機向FRAM傳送數(shù)據(jù)時，另一個單片機無須一一作出響應(yīng)或等待，可以進行其它程序操作，提高軟件工作效率。
④靈活。通信硬件接口對于各個單片機是對等的，通過軟件配置，每個單片機既可以根據(jù)需要主動發(fā)送通信，也可以只響應(yīng)其它單片機的呼叫。
⑤容易擴展。通過增加地址識別線，修改通信協(xié)議，即可做到多機通信。
以下是需要注意的地方：
①為了提高通信效率，握手線B最好使用中斷端口，負脈沖寬度一定要滿足速度較低單片機中斷信號要求。如果沒有中斷的話應(yīng)增加1條口線，用改變端口狀態(tài)的方法通知對方，等待對方查詢，而不是負脈沖。
②向?qū)Ψ桨l(fā)送負脈沖時，應(yīng)屏蔽自己的中斷。
③由于參數(shù)與通信緩沖區(qū)同時設(shè)在同一片F(xiàn)RAM內(nèi)，要避免對參數(shù)部分的誤操作。一個較好的解決辦法是把參數(shù)存放在地址的后半部分(A2=1)，在進行通信操作時，把FRAM的WP引腳拉高(地址在后半部分的單元寫保護)，這樣可以有效地防止測驗時對參數(shù)區(qū)誤操作。
④由于I2C總線在一個時間段內(nèi)只有1個主機和1個從機，所以當(dāng)1個單片機正在寫通信數(shù)據(jù)時，另一個單片機是不能對FRAM進行操作的。如果需要實時、頻繁地讀取FRAM中參數(shù)的話，請預(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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