單片機(jī)多機(jī)通信的設(shè)計(jì)方案及原理有哪些?
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展進(jìn)步,科技的不斷飛升,在新時(shí)代的背景下網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)成了人們最為常 用的科學(xué)技術(shù)產(chǎn)品之一,由于生活水平得到了提高人們?cè)谌粘5淖非笊弦舶l(fā)生著變化,而對(duì)于通信 的產(chǎn)品可以說(shuō)是有著日新月異的變化,人們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)通訊以及工業(yè)自動(dòng)化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗@方面的實(shí)踐 操作中會(huì)需要一個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)于所運(yùn)行的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行有效地控制與檢測(cè),以此來(lái)讓通信系統(tǒng)能夠及 時(shí)高速的進(jìn)行正常通訊,基于它的種種優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)下已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。
在多機(jī)通信中,主機(jī)必須要能對(duì)各個(gè)從機(jī)進(jìn)行識(shí)別,在51系列單片機(jī)中可以通過(guò)SCON寄存器的SM2位來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)串口以方式2或方式3發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),每一幀信息都是11位,第9位是數(shù)據(jù)可編程位,通過(guò)給TB8置1或置0來(lái)區(qū)別地址幀和數(shù)據(jù)幀,當(dāng)該位為1時(shí),發(fā)送地址幀;該位為0時(shí),發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
在多機(jī)通信過(guò)程中,主機(jī)先發(fā)送某一從機(jī)的地址,等待從機(jī)的應(yīng)答,所有的從機(jī)接收到地址幀后與本機(jī)地址進(jìn)行比較,若相同,則將SM2置0準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù);若不同,則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù),SM2位不變。
單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)通信系統(tǒng)中常采用總線型主從式結(jié)構(gòu)。在多個(gè)單片機(jī)組成的系統(tǒng)中,只允許存在一個(gè)主機(jī),其他的就是從機(jī),從機(jī)要服從主機(jī)的控制,這就是總線型主從式結(jié)構(gòu)。
當(dāng) 51 單片機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信時(shí),串口要工作在方式 2 和方式 3。假設(shè)當(dāng)前多機(jī)通信系統(tǒng)有 1 個(gè)主機(jī)和 3 個(gè)從機(jī),從機(jī)地址分別是 00H、01H、02H。如果距離很近它們直接可以以 TTL 電平通信,一旦距離較遠(yuǎn)的時(shí)候,常采用 RS-485 串行標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
為了區(qū)分是數(shù)據(jù)信息還是地址信息,主機(jī)用第九位數(shù)據(jù) TB8 作為地址 / 數(shù)據(jù)的識(shí)別位,地址幀的 TB8=1,數(shù)據(jù)幀的 TB8=0。各從機(jī)的 SM2 必須置 1。
在主機(jī)與某一從機(jī)通信前,先將該從機(jī)的地址發(fā)送給各從機(jī)。由于各從機(jī) SM2=1,接收到的地址幀 RB8=1,所以各從機(jī)的接收信息都有效,送入各自的接收緩沖器 SBUF,并置 RI=1。各從機(jī) CPU 響應(yīng)中斷后,通過(guò)軟件判斷主機(jī)送來(lái)的是不是本從機(jī)地址,如是本從機(jī)地址,就使 SM2=0,否則保持 SM2=1。
接著主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,因數(shù)據(jù)幀的第九位數(shù)據(jù) RB8=0,只有地址相符的從機(jī)其 SM2=0,才能將 8 位數(shù)據(jù)裝入接收緩沖區(qū) SBUF,其他從機(jī)因 SM2=1,數(shù)據(jù)將丟失,從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)的一對(duì)一通信。
串口工作方式 2、3 也可以用于多機(jī)通信,此時(shí)第九位數(shù)據(jù)可作為奇偶校驗(yàn)位,但必須使 SM2=0。
對(duì)于現(xiàn)代所見(jiàn)到的的單片機(jī)基本上都是帶有通信接口的,能夠方便的和計(jì)算機(jī)在信息數(shù)據(jù)上進(jìn)行通 信這給通信設(shè)備以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間在應(yīng)用的層面上提供了有力的物質(zhì)基礎(chǔ)條件,在當(dāng)下的通信設(shè) 備的使用上都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于單片機(jī)的智能控制,像手機(jī)、列車無(wú)線通信、無(wú)線電對(duì)講機(jī)等等,在 單片機(jī)的通信應(yīng)用應(yīng)該說(shuō)是從兩片單片機(jī)間的通信開(kāi)始的,再往后就有了主從式的通信設(shè)備,在后 就出現(xiàn)了基于單片機(jī)的多機(jī)通信系統(tǒng)的應(yīng)用,同時(shí)得到了廣泛的應(yīng)用,雖然說(shuō)在單片機(jī)的多機(jī)通信 上面有了很長(zhǎng)的研究史但是在形式上也基本都是主從式的,對(duì)于平權(quán)式的就相對(duì)較少。
在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中對(duì)于通信的協(xié)議工作的相關(guān)過(guò)程主要包括了發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程以及接收數(shù)據(jù)的過(guò)程, 可以采取異步半雙的這種通信模式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),也就是可以在相同的時(shí)間段由主機(jī)進(jìn)行發(fā)送從機(jī)進(jìn) 行接收,或者是從機(jī)進(jìn)行發(fā)射由主機(jī)進(jìn)行接收,這樣的設(shè)計(jì)能夠使系統(tǒng)的工作更加的有效便捷,在 整個(gè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中占有著相當(dāng)重要的位置。在接收的同時(shí)從機(jī)有著兩種方式,一個(gè)是等待接收這 是由處理器來(lái)對(duì)串口的狀態(tài)進(jìn)行查詢而得到的判斷;二就是中斷接收面對(duì)一個(gè)對(duì)著多個(gè)的傳輸數(shù)據(jù) 的命令系統(tǒng)首先會(huì)在接收中斷的過(guò)程當(dāng)中對(duì)連接的命令進(jìn)行解析,當(dāng)這個(gè)“連接”命令得到了信息 之后,主程序就會(huì)立即進(jìn)入到一個(gè)設(shè)置的狀態(tài),然后就會(huì)以查詢的方法對(duì)其余的協(xié)議進(jìn)行解析,在 這個(gè)過(guò)程中協(xié)議的解析首先是對(duì)數(shù)據(jù)包的一個(gè)正確性以及完整性進(jìn)行的判斷,隨后就是對(duì)數(shù)據(jù)以及 數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行的提取,這些結(jié)束后就把提取的相關(guān)數(shù)據(jù)存放起來(lái),用作對(duì)主程序的處理,通常會(huì) 采用中斷接收這種方式會(huì)比較好。在接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中主機(jī)可以和從機(jī)得到一致的結(jié)合,在串口打 開(kāi)之后對(duì)遠(yuǎn)程的監(jiān)視串口的數(shù)據(jù)接收也要開(kāi)啟,然后把接收到的數(shù)據(jù)放置到緩沖區(qū)域由此同時(shí)把接 收數(shù)據(jù)的消息傳送給主程序,這時(shí)數(shù)據(jù)就會(huì)和消息一起傳輸給主程序那里,隨后主程序就會(huì)對(duì)消息 進(jìn)行開(kāi)啟開(kāi)始處理函數(shù)以及數(shù)據(jù)。
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)于某一些場(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。
一、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。
二、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。
三、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)獲取總線成功或失敗;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。