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一種基于鐵電存儲器的雙機串行通信技術(shù)
摘要：分析不同種類(lèi)單片機之間通信的方式及難點(diǎn)，提出一種基鐵電存儲器的解決方案與實(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(shuí)著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機也步如一個(gè)新的時(shí)代，越來(lái)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(chǎng)合，比如：復雜的后臺運算及通信與高實(shí)時(shí)性前臺控制系統、軟件資源消耗大的系統、功能強大的低消耗系統、加密系統等等。如果合理使用多種不同類(lèi)型的單片機組合設計，可以得到極高靈活性與性能價(jià)格比，因此，多種異型單片機系統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(wèn)題。本文將分析比較幾種單片機之間的方式、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(xiàn)少，有效、可靠的通信方式；但遺憾的是許多小型單片機沒(méi)有硬件 UART，有些也只有1個(gè)UART，如果系統還要與上位機通信的話(huà)，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(jìn)行串行通信或采用雙UART單片機的場(chǎng)合。
②采用片內SPI接口或2C總線(xiàn)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(kāi)銷(xiāo)會(huì )形成一個(gè)很大的矛盾，處理不好會(huì )導致系統整體性能急劇下降。這種方法只能用于通信量極少的場(chǎng)合。
④口對口并行通信，利用單片機的口線(xiàn)直接相連，加上1～2條握手信號線(xiàn)。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(xiàn)，而且數據傳遞是準同步的。在一個(gè)單片機向另一個(gè)單片機傳送1個(gè)字節以后，必須等到另一個(gè)單片機的接收響應信號后才能傳送下一個(gè)數據。一般用于一些硬件口線(xiàn)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(xiě)存儲器的指令直接操作；但這種方式需要大量的口線(xiàn)，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(chǎng)合。
從上面幾種方案來(lái)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(jiǎn)單的單片機上實(shí)現，因此尋求一種簡(jiǎn)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(gè)字節做出響應，通信數據量較大時(shí)會(huì )耗費大量的軟件資源，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(wèn)題，假設在單片機之間增加1個(gè)數據緩沖器，大批數據先寫(xiě)入緩沖區，然后再讓對方去取，各個(gè)單片機對數據緩沖器都是主控模式，這樣必然會(huì )大大提高通信效率。談到數據緩沖，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(xiàn)（數據線(xiàn) 地址線(xiàn) 讀寫(xiě)線(xiàn) 片選線(xiàn) 握手線(xiàn)），一般在16條以上。這是一個(gè)讓人望而生畏的數字，而且會(huì )大大增加PCB面積并給布線(xiàn)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(mǎi)到而且價(jià)格很高。移位寄存器也可以做數據緩沖器，但目前容量最大的也只128位，因為是“先進(jìn)先出”結構，所以不管傳遞數據多少，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(mǎi)的。一種被稱(chēng)為“鐵電存儲器”芯片的出現，給我們帶來(lái)了解決方法。
2 利用鐵電存儲器作為數據緩沖器的通信方式
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(jiǎn)稱(chēng)FRAM。與普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需寫(xiě)入時(shí)間、讀寫(xiě)次數無(wú)限，沒(méi)有分布結構可以連續寫(xiě)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�，F在大多數的單片機系統配備串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用來(lái)存儲參數。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存儲參數，又能作串行數據通信的緩沖器。2個(gè)（或多個(gè)）單片機與1片FRAM接成多主-從的I2C總線(xiàn)方式，增加幾條握手線(xiàn)，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)現簡(jiǎn)單、高效、可靠的通信了。
3 實(shí)例（雙單片機結構，多功能低功耗系統）
（1）硬件
W78LE52與EMC78P458組成一個(gè)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(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，負責流量的非線(xiàn)性校正、參數輸入、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(xiàn)路如圖1所示，2個(gè)單片機共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）組成二主一從的I2C總線(xiàn)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(xiàn)A與B。我們把握手線(xiàn)A（簡(jiǎn)稱(chēng)A線(xiàn)）定義為總線(xiàn)控制、指示線(xiàn)，主要用于獲取總線(xiàn)控制權與判別總線(xiàn)是否“忙”；握手線(xiàn)B（簡(jiǎn)稱(chēng)B線(xiàn)）定義為通知線(xiàn)，主要用于通知對方取走數據。
（2）I2C總線(xiàn)仲裁
由于我們采用的是二主一從的I2C總線(xiàn)方式，因此防止2個(gè)主機同時(shí)去操作從機（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，器件內部有1個(gè)總線(xiàn)仲裁器與總線(xiàn)超時(shí)定時(shí)器：當總線(xiàn)超時(shí)定時(shí)器超時(shí)后指示總線(xiàn)空閑，這時(shí)單片機可以發(fā)出獲取總線(xiàn)命令，總線(xiàn)仲裁器通過(guò)一系列操作后確認獲取總線(xiàn)成功或失��；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(xiàn)所有主機的超時(shí)定時(shí)器進(jìn)行清零，以防止它溢出，指示總線(xiàn)正處于“忙”狀態(tài)，直到一個(gè)主機對總線(xiàn)控制結束不再產(chǎn)生SCL脈沖；
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