几种常用单片机之间的通信方式?-苏州安嘉

硬件工程师告诉你如何实现不同类型单片机之间的通信，少走弯路

单片机之间常见的几种通讯方式？① 使用硬件 UART 进行异步串行通信。这是一种有效且可靠的通信方式，占用较少的端口线。相关示例：STM32和51 MCU串行通信示例；但遗憾的是，很多小型MCU没有硬件UART，有的有独特的UART。如果系统需要的硬件资源不足以与主机通信。

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正文开始：

这种方式一般用于单片机有硬件UART，不需要与外界进行串行通信或使用双UART单片机的情况。②采用片内SPI接口或I2C总线模块串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易的特点，但目前大多数单片机都没有硬件SPI/I2C模块。③用软件模拟SPI/I2C模式通信，这种方式很难模拟从机模式，通信双方必须对每个bit进行响应，通信速率和软件资源开销会构成很大的矛盾，而且将很难处理。这导致整体系统性能急剧下降。这种方法只能在流量很少的情况下使用。④端口对端口并行通信，直接通过单片机的端口线连接，增加1-2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，一次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量端口，数据传输是准同步的。一台单片机向另一台单片机传输1个字节后，必须等到另一台单片机接管响应信号后，才能传输下一个数据。一般用于一些硬件端口比较丰富的场合。⑤使用双口RAM作为缓冲通信。④端口对端口并行通信，直接通过单片机的端口线连接，增加1-2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，一次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量端口，数据传输是准同步的。一台单片机向另一台单片机传输1个字节后，必须等到另一台单片机接管响应信号后，才能传输下一个数据。一般用于一些硬件端口比较丰富的场合。⑤使用双口RAM作为缓冲通信。④端口对端口并行通信，直接通过单片机的端口线连接，增加1-2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，一次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量端口，数据传输是准同步的。一台单片机向另一台单片机传输1个字节后，必须等到另一台单片机接管响应信号后，才能传输下一个数据。一般用于一些硬件端口比较丰富的场合。⑤使用双口RAM作为缓冲通信。这种方式的特点是通信速度快，一次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量端口，数据传输是准同步的。一台单片机向另一台单片机传输1个字节后，必须等到另一台单片机接管响应信号后，才能传输下一个数据。一般用于一些硬件端口比较丰富的场合。⑤使用双口RAM作为缓冲通信。这种方式的特点是通信速度快，一次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量端口，数据传输是准同步的。一台单片机向另一台单片机传输1个字节后，必须等到另一台单片机接管响应信号后，才能传输下一个数据。一般用于一些硬件端口比较丰富的场合。⑤使用双口RAM作为缓冲通信。它必须等到另一台单片机接管响应信号后才能传输下一个数据。一般用于一些硬件端口比较丰富的场合。⑤使用双口RAM作为缓冲通信。它必须等到另一台单片机接管响应信号后才能传输下一个数据。一般用于一些硬件端口比较丰富的场合。⑤使用双口RAM作为缓冲通信。

这种方式最大的特点是通信速度快，双方可以直接用指令操作读写内存；但是这种方式需要大量的端口，而且双口RAM的价格很高，一般只用于一些对速度有特殊要求的场合。

从以上几种方案来看，各种方法对硬件的要求和限制都很大，尤其是在功能简单的单片机上很难实现。方法意义重大。③、④ 在方案中，两个微控制器要发送的每个位或每个字节都进行响应。当通信数据量大时，会消耗大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。针对这个问题，假设在单片机之间增加一个数据缓冲区，先将大量数据写入缓冲区，然后让对方取回。效率。说到数据缓冲，我们马上就会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的端口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般16线以上。这是一个令人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积，使布线变得困难，很少有人用这种方式。

串行接口 RAM 在市场上很少见，难以获得且价格昂贵。移位寄存器也可以用作数据缓冲器，但目前容量最大的只有128位。由于是“先进先出”的结构，无论传输多少数据，接收方都必须移动整个寄存器，灵敏度差，移位寄存器容量大。位寄存器也很少见，很难买到。然后，一种名为“铁电存储器”的芯片的出现，为我们带来了克服它的方法。如何使用铁电存储器作为数据缓冲器进行通信？

铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种非易失性存储器件，简称FRAM。与普通的EEPROM和Flash-ROM相比，具有无需写入时间、读写次数不限、无分布式结构、可连续写入和播放等优点，具有RAM和EEPROM的双重特性，价格相对较低。.

此时，大多数单片机系统都配备了串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）来存储参数。如果用一块 FRAM 代替原来的 EEPROM，它不仅可以存储参数，还可以作为串行数据通信的缓冲区。两台（或多台）单片机和一块FRAM连接成多主从I2C总线方式，加上几条握手线，得到简单高效的通信硬件电路。

在软件方面，只有克服I2C多主从的控制冲突和通信协议问题，才能实现简单、高效、可靠的通信。示例（双单片机结构，多功能低功耗系统） 硬件？W78LE52 和 EMC78P458 组成了一个电池供电的远程通信工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流小，连续工作，实时采集传感器脉冲和温度、压力等一些模拟量；W78LE52采用11.0592MHz晶振，因为它的工作电流比较大。大，采用间歇性工作，负责流量的非线性校正，参数输入写入，液晶显示，与上位机通讯等功能，它的UART用于长距离通信。两台单片机共用一块带I2C接口的FRAM（FM24CL16）构成两主一从I2C总线控制方式，P3.5、P3.2的W78LE52分别与78P458的P51、P50相连作为握手信号线A和B。

我们把握手A线（简称A线）定义为总线控制指示线，主要用于获取总线控制权，判断总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取数据。I2C 总线仲裁？由于我们使用的是两主一从的I2C总线方式，所以防止两个主机同时操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。带有硬件I2C模块的设备一般是这样的。设备内部有一个总线仲裁器和一个总线超时定时器：当总线超时定时器超时时，指示总线空闲，微控制器可以发出命令获取总线。经过一系列的操作，确认获取总线的成功或失败；超时定时器清零，后续每次SCL状态改变都会清零总线上所有master的超时定时器，防止溢出，表示总线处于“busy”状态，直到一个主机完成后才会产生SCL脉冲总线控制；超时定时器溢出，总线返回“空闲”状态。

但是目前大部分单片机都没有配备硬件I2C模块，当两台主机的工作频率相差较大时，超时定时器的计时值只能设置一个较大的值，这也会影响公交车的效率。

下面介绍一种通过软件模拟I2C总线仲裁的方法（软件模拟I2C读写操作程序很常见，这里不再赘述）：使用握手线A，当A线为高电平时，表示公共汽车空闲；当其中一台主机想要获得总线控制权时，它首先检查总线是否空闲，当它“忙”时退出。如果空闲，则向A线发送一个测试序列（例如：1000101011001011），每个发送位“1”后读取A线状态。

如果读取状态为“0”，则立即退出，说明其他设备已经抢占总线；如果顺序读取的A线状态正确，则说明已成功获得总线控制。指示总线处于“忙碌”状态，直到读取或写入高 A 线，使总线返回“空闲”状态。不同的主机使用不同的测试序列，或者生成随机的测试序列。测试序列的长度可以选择更长的，这样可以增加仲裁的可靠性。

协议书

对于一个可靠的通信系统来说，除了好的硬件电路之外，通信协议也是至关重要的。在单片机系统的 RAM 资源和执行速度非常有限的情况下，一个简单有效的协议非常重要。下面详细介绍一种更适合单片机通信的协议，数据以包的形式传输。包结构：

?包头——表示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可以省略

?地址——要传输的数据包的目的地址，如果地址是双机通信或硬件区分唯一的，可以省略

?Packet Length – 表示整个数据包的长度

?Command – 指示此数据包的角色

?Parameters – 要传输的数据和参数

?校验——校验数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或它们的组合

?Packet tail – 表示数据包的结束，有利于包完整性检测，有时可以省略

沟通过程？首先需要划分FRAM中的各个区域两个模拟信号如何同时输入到单片机，各个单片机的参数区域和数据接管区域。然后，单片机可以向另一台单片机发送数据包。传输完成后，向握手线B发送一个脉冲，通知对方取数据；接收方读取数据并处理后，写入 FRAM 中发送方的数据接管区。输入返回数据或通信失败标志两个模拟信号如何同时输入到单片机，然后向握手线B发送一个脉冲响应发送方。如果需要MCU 2发送，只需更换操作流程即可。

总结

五个优势

?简单：占用MCU端口线少（SCL、SDA、握手线A、握手线B）

?通用：软件模拟I2C主机模式，可以在任意多种单片机之间进行通信

高效率：由于使用数据缓冲，可以在不同时钟频率和速度的微控制器之间进行通信；读写数据时，可以以I2C总线的最高速度进行，一次可以传输大量数据；单个单片机可以将数据传输到 FRAM 当其他单片机不需要响应或等待时，它可以执行其他程序操作，提高软件工作效率。

Sensitive：通信硬件接口相当于每个MCU。通过软件配置，每个 MCU 既可以根据需要主动发送通信，也可以只响应其他 MCU 的呼叫。

?易于扩展：增加地址识别线，修改通讯协议，即可实现多机通讯

注意事项

?为了提高通信效率，握手线B最好使用中断端口，负脉冲宽度必须满足低速单片机的中断信号要求。如果没有中断，加一条端口线，通过改变端口状态通知对方，等待对方查询，不是负脉冲

?向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断

?由于参数和通讯缓冲区是同时设置在同一块FRAM中的，所以要避免参数的局部误操作。更好的解决办法是在地址后半部分注册参数（A2=1），在通信操作时拉高FRAM的WP管脚（单元后半部分的地址为protected)) ，可有效防止测试过程中参数区的误操作

?由于I2C总线在一段时间内只有一个主控和一个从控，当一个单片机写入通信数据时，另一个单片机无法操作FRAM。如需实时频繁读取FRAM中的参数，请提前将参数读入RAM单元或添加专用芯片进行参数注册。