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。