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一種基于鐵電存儲(chǔ)器的雙機(jī)串行通信技術(shù)
摘要：分析不同種類單片機(jī)之間通信的方式及難點(diǎn)，提出一種基鐵電存儲(chǔ)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。誰著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)也步如一個(gè)新的時(shí)代，越來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。對于莫一些場合，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。
1 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(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，通信雙方對每一位要做出響應(yīng)，通信速率與軟件資源的開銷會(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合。
④口對口并行通信，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(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此尋求一種簡單、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。針對這一問題，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)，然后再讓對方去取，各個(gè)單片機(jī)對數(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(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)，給我們帶來了解決方法。
2 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Ramtran公司剛剛推出的一種新型非易失性存儲(chǔ)器件，簡稱FRAM。與普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需寫入時(shí)間、讀寫次數(shù)無限，沒有分布結(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(shí)現(xiàn)簡單、高效、可靠的通信了。
3 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(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)對總線控制結(jié)束不再產(chǎn)生SCL脈沖；
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