一種基于鐵電存儲器的雙機串行通信技術

摘要：分析不同種類單片機之間通信的方式及難點，提出一種基鐵電存儲器的解決方案與實例。包括一個可靠通信協(xié)議和流程以及此方法的優(yōu)點和需要注意的方法。

關鍵詞：單片機通信鐵電存儲器I2C總線仲裁通信協(xié)議

誰著電子技術的飛速發(fā)展，單片機也步如一個新的時代，越來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。對于莫一些場合，比如：復雜的后臺運算及通信與高實時性前臺控制系統(tǒng)、軟件資源消耗大的系統(tǒng)、功能強大的低消耗系統(tǒng)、加密系統(tǒng)等等。如果合理使用多種不同類型的單片機組合設計，可以得到極高靈活性與性能價格比，因此，多種異型單片機系統(tǒng)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題。本文將分析比較幾種單片機之間的方式、難點，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應件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2C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，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余的場合。

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，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”結構，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。

2 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公司剛剛推出的一種新型非易失性存儲器件，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，沒有分布結構可以連續(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。

3 實例（雙單片機結構，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。通信接口部分線路如圖1所示，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??；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，流程圖如圖2所示，當A線高電平時，指示總線空閑；當其中一個主機要獲取總線控制權時，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，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)包結構：

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；

②地址――數(shù)據(jù)包要傳送的目標地址，若只有雙機通信或硬件區(qū)分地址可以省略；

③包長度――指示整個數(shù)據(jù)包的長度；

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――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個脈沖回應發(fā)送方。表3是單片機1啟動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，只需交換一下操作過程即可。

表3

4 總結

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址：

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向對方發(fā)送負脈沖時，應屏蔽自己的中斷。

③由于參數(shù)與通信緩沖區(qū)同時設在同一片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。