单片机模拟spi 不同类型单片机之间如何“搭讪”（通信方式）？从这几个实例来看|产品选型|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

不同类型单片机之间如何“搭讪”（通信方式）？从这几个实例来看

几种常用单片机之间的通信方式

①采用硬件UART进行异步串行通信。这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但遗憾的是许多小型单片机没有硬件UART，有些也只有1个UART，如果系统还要与上位机通信的话，硬件资源是不够的。这种方法一般用于单片机有硬件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART单片机的场合。

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、软件编程容易等特点，但目前大多数单片机不具备硬件SPI/I2C模块。

③利用软件模拟SPI/I2C模式通信，这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。

④口对口并行通信，利用单片机的口线直接相连，加上1～2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个单片机向另一个单片机传送1个字节以后，必须等到另一个单片机的接收响应信号后才能传送下一个数据。一般用于一些硬件口线比较富裕的场合。

⑤利用双口RAM作为缓冲器通信。这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写存储器的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，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。

从上面几种方案来看，各种方法对硬件都有很大的要求与限制，特别是难以在功能简单的单片机上实现，因此寻求一种简单、有效的，能在各种单片机之间通信的方法具有重要的意义。③、④方案中，双方单片机要传递的每一位或每一个字节做出响应，通信数据量较大时会耗费大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。

针对这一问题，假设在单片机之间增加1个数据缓冲器，大批数据先写入缓冲区，然后再让对方去取，各个单片机对数据缓冲器都是主控模式，这样必然会大大提高通信效率。谈到数据缓冲，我们马上会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般在16条以上。这是一个让人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积并给布线带来一定的困难，极少有人采用这种方式。串行接口的RAM在市场上很少见，不但难以买到而且价格很高。移位寄存器也可以做数据缓冲器，但目前容量最大的也只128位，因为是“先进先出”结构，所以不管传递数据多少，接收方必须移完整个寄存器，灵活性差而且大容量的移位寄存器也是少见难买的。一种被称为“铁电存储器”芯片的出现，给我们带来了解决方法。

利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式

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EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与EEPROM的双得特性，而且价格相对较低。

现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。

实例（双单片机结构，多功能低功耗系统）

（1）硬件

W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式，W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。我们把握手线A（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与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。

（2）I2C总线仲裁

由于我们采用的是二主一从的I2C总线方式，因此防止2个主机同时去操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。带有硬件I2C模块的器件一般是这样的，器件内部有1个总线仲裁器与总线超时定时器：当总线超时定时器超时后指示总线空闲，这时单片机可以发出获取总线命令，总线仲裁器通过一系列操作后确认获取总线成功或失败；超时定时器清零，以后的每一个SCL状态变化对总线所有主机的超时定时器进行清零，以防止它溢出，指示总线正处于“忙”状态，直到一个主机对总线控制结束不再产生SCL脉冲；超时定时器溢出，总线重新回到“空闲”状态。但是目前大多数单片机没有配备硬件I2C模块，而且当2个主机的工作频率相差较大时，超时定时器定时值只能设为较大的值，这样也会影响总线的使用效率。

下面介绍一种用软件模拟I2C总线仲裁的方式（I2C读写操作程序的软件模拟十分多见，这里不再多述）：用1条握手线A，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。

（3）通信协议

一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在单片机系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于单片机通信的协议，数据以包的形式传送。数据包结构：

①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；

②地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略；

③包长度——指示整个数据包的长度；

④命令——指示本数据包的作用；

⑤参数——需要传送的数据与参数；

⑥校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合；

⑦包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。

（4）通信流程

首先，要在FRAM里划分好各个区域，各个单片机的参数区、数据接收区等。然后，单片机可以向另一个单片机发送数据包，发送完毕之后通过向握手线B发送1个脉冲通知对方取走数据；接收方读取数据并进行处理后，向FRAM内发送方的数据接收区写入回传数据或通信失败标志，再向握手线B发送1个脉冲回应发送方。

如果需要单片机2发送的话，只需交换一下操作过程即可。

4 总结

通过实践可知，以上方法是可行的。与其它方法相比具有发下优点：

①简单。占用单片机口线少（SCL、SDA、握手线A、握手线B）。

②通用。软件模拟I2C主机方式，可以在任何种类的单片机之间通信。

③高效。由于采用数据缓冲，可以在不同时钟频率、不同速度的单片机之间通信；读写数据时，可以I2C总线的最高速度进行，可以实现1次传送大量数据；在一个单片机向FRAM传送数据时，另一个单片机无须一一作出响应或等待，可以进行其它程序操作，提高软件工作效率。

④灵活。通信硬件接口对于各个单片机是对等的，通过软件配置，每个单片机既可以根据需要主动发送通信，也可以只响应其它单片机的呼叫。

⑤容易扩展。通过增加地址识别线，修改通信协议，即可做到多机通信。

以下是需要注意的地方：

①为了提高通信效率，握手线B最好使用中断端口，负脉冲宽度一定要满足速度较低单片机中断信号要求。如果没有中断的话应增加1条口线，用改变端口状态的方法通知对方，等待对方查询，而不是负脉冲。

②向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断。

③由于参数与通信缓冲区同时设在同一片FRAM内，要避免对参数部分的误操作。一个较好的解决办法是把参数存放在地址的后半部分（A2=1），在进行通信操作时，把FRAM的WP引脚拉高（地址在后半部分的单元写保护），这样可以有效地防止测验时对参数区误操作。

④由于I2C总线在一个时间段内只有1个主机和1个从机，所以当1个单片机正在写通信数据时，另一个单片机是不能对FRAM进行操作的。如果需要实时、频繁地读取FRAM中参数的话，请预先将参数读入RAM单元使用或另外增加专门存放参数的芯片。

STM32的SPI通信（2）——模拟SPI

昨天小秋写了一篇文章，《STM32的SPI通信（1）——硬件SPI》，今天继续SPI的话题，谈谈模拟SPI的实现。在实际应用中，我们大部分用到的都是模拟SPI。在小秋这几年的工作中，接触的SPI程序几乎都是用模拟方法来写的。当然，也有可能是因为小秋工作的局限，才会产生这样的误解，但毫无疑问，模拟SPI通讯，在现有的SPI程序中，还是占有很大比例的。

1）以STM32F407为开发平台，通过模拟SPI对W25Q128进行读写操作：

硬件原理图，与《STM32的SPI通信（1）——硬件SPI》中的一样，在这里重复一下：

这次，不再使用引脚复用功能了，将PB3、PB4、PB5当做普通IO口使用，所以刚开始需要初始化SPI的4个IO口：

注意，DO——PB14，对于芯片W25Q128来说是输出，但对于单片机是输入的，所以这个引脚需要配置为输入上拉模式。最后一条语句W25Q128_CS=1，意思是将片选信号PB14置为高电平，不选中芯片（W25Q128是低电平有效的）。

接下来就是这篇文章的关键点，读写函数。我们先来看一下SPI的时序。由W25Q128的datasheet可知，W25Q128支持SPI标准通信：模式0（CPOL=0，CPHA=0）与模式3（CPOL=1，CPHA=1）。这个在小秋的前一篇文章《STM32的SPI通信（1）——硬件SPI》中有过介绍，这里不再描述。我们以模式3为例：

标准SPI通信模式3的时序图

这里需要说明一点，时钟SCK先置为0，再置为1，delay_us(1)，延时1us，这个是根据芯片datasheet来设置延迟时间的，datasheet中介绍的需要延迟时间都是纳秒级别的，所以延迟1us足够了。还有就是4个引脚的定义（这里采用位带操作进行定义）：

W25Q128的datasheet中，有关于读取芯片ID的介绍：

在主函数中运行以下程序，我们就可以验证读写函数是否正确。毫无疑问，LED1灯亮，说明程序已经正确读取了W25Q128的ID（datasheet中有介绍W25Q128的ID为0xEF17）。

2）以上都是在STMF407平台上实现的，现在在STM32F103平台上运行一下，看两者程序有什么不同。因为在STM32F103上硬件有所不同，使用的是W25X16，原理图如下：

首先我们使用引脚复用，硬件SPI实现对芯片ID的读取（W25X16与W25Q128类似，读写时序一样，具体见两者的datasheet，这里不作详细分析）：

主函数运行：

下载程序之后，我们可以发现LED1灯亮。以上程序不作详细分析了，芯片ID、读取ID时序，在W25X16的datasheet中都有详细介绍。

下面看一下模拟SPI：

在主函数中运行：

毫无疑问，LED1灯亮。

比较STM32F407与STM32F103的程序，我们可以发现，除了IO口的配置有所不同外（STM32F407与STM32F103的IO口配置本来就不太一样），其余的都完全相同。所以说，掌握了硬件SPI和模拟SPI之后，不管在哪个平台上运行，移植过去就行。

OK，SPI通信就写到这里了。在这里小秋想问一下，看懂了以上程序，自认为学会了硬件SPI和模拟SPI，如果在实际工作中给你一块SPI通信的芯片，你真的会使用吗？如果在这块芯片的datasheet中，没有介绍这块芯片适用标准SPI通信的4种模式，而是画出了类似SPI通信的时序图，这样你能够上手吗？还有，如果这块芯片datasheet中没有写出芯片的ID呢？有机会的话小秋再写一篇文章，介绍自己在实际工作中应用到的SPI芯片。