多个单片机的通信方式

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下面简述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。

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。

51单片机多机通信

一、多机通信原理

在多机通信中，主机必须要能对各个从机进行识别，在51系列单片机中可以通过SCON寄存器的SM2位来实现。当串口以方式2或方式3发送数据时，每一帧信息都是11位，第9位是数据可编程位，通过给TB8置1或置0来区别地址帧和数据帧，当该位为1时，发送地址帧；该位为0时，发送数据帧。

在多机通信过程中，主机先发送某一从机的地址，等待从机的应答，所有的从机接收到地址帧后与本机地址进行比较，若相同，则将SM2置0准备接收数据；若不同，则丢弃当前数据，SM2位不变。

二、多机通信电路图

此处，U1作为主机，U2为从机1，U3为从机2。

三、C语言程序

(1)主机程序

#include<reg51.h>

#include<string.h>

#define _SUCC_ 0x0f//数据传送成功

#define _ERR_ 0xf0//数据传送失败

unsigned charTable[9]={0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};

unsigned char Buff[20]; //数据缓冲区

unsigned char temp=0xff;

sbit KEY1=P1^6;

sbit KEY2=P1^7;

//unsigned char addr;

//延时1ms函数

void delay_1ms(unsigned int t)

{

unsigned int x,y;

for(x=t;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

//缓冲区初始化

void Buff_init()

{

unsigned chari; //将Table里的数据放到缓冲区里

for(i=0;i<9;i++)

{

Buff[i]= Table[i];

delay_1ms(100);

}

}

//串口初始化函数

void serial_init()

{

TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2

TH1=0xfd;

TL1=0xfd; //波特率为9600

PCON=0;

SCON=0xd0; //串口工作于方式3

TR1=1; //开启定时器

TI=0;

RI=0;

}

//发送数据函数

void SEND_data(unsigned char *Buff)

{

unsigned char i;

unsigned char lenth;

unsigned char check;

lenth=strlen(Buff); //计算数据长度

check=lenth;

TI=0; //发送数据长度

TB8=0; //发送数据帧

SBUF=lenth;

while(!TI);

TI=0;

for(i=0;i<lenth;i++) //发送数据

{

check=check^Buff[i];

TB8=0;

SBUF=Buff[i];

while(!TI);

TI=0;

}

TB8=0; //发送校验字节

SBUF=check;

while(!TI);

TI=0;

}

//向指定从机地址发送数据

void ADDR_data(unsigned addr)

{

while(temp!=addr) //主机等待从机返回其地址作为应答信号

{

TI=0; //发送从机地址

TB8=1; //发送地址帧

SBUF=addr;

while(!TI);

TI=0;

RI=0;

while(!RI);

temp=SBUF;

RI=0;

}

temp=_ERR_; //主机等待从机数据接收成功信号

while(temp!=_SUCC_)

{

SEND_data(Buff);

RI=0;

while(!RI);

temp=SBUF;

RI=0;

}

}

void main()

{

Buff_init();

serial_init();

while(1)

{

if(KEY1==0)

{

delay_1ms(5);

if(KEY1==0)

{

while(!KEY1);

ADDR_data(0x01);

}

}

if(KEY2==0)

{

delay_1ms(5);

if(KEY2==0)

{

while(!KEY2);

ADDR_data(0x02);

}

}

}

}

(2)从机1程序

#include<reg51.h>

#include<string.h>

#defineaddr 0x01//从机1的地址

#define _SUCC_ 0x0f//数据传送成功

#define _ERR_ 0xf0//数据传送失败

unsigned char aa=0xff;//主机与从机之间通信标志

unsigned char Buff[20];//数据缓冲区

//串口初始化函数

void serial_init()

{

TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2

TH1=0xfd;

TL1=0xfd; //波特率为9600

PCON=0;

SCON=0xd0; //串口工作于方式3

TR1=1; //开启定时器

TI=0;

RI=0;

}

//接收数据函数

unsigned char RECE_data(unsigned char *Buff)

{

unsigned char i,temp;

unsigned char lenth;

unsigned char check;

RI=0; //接收数据长度

while(!RI);

if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe

return 0xfe;

lenth=SBUF;

RI=0;

check=lenth;

for(i=0;i<lenth;i++) //接收数据

{

while(!RI);

if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe

return0xfe;

Buff[i]=SBUF;

check=check^(Buff[i]);

RI=0;

}

while(!RI); //接收校验字节

if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe

return 0xfe;

temp=SBUF;

RI=0;

check=temp^check; //将从主机接收到的校验码与自己计算的校验码比对

if(check!=0) //校验码不一致，表明数据接收错误，向主机发送错误信号，函数返回0xff

{

TI=0;

TB8=0;

SBUF=_ERR_;

while(!TI);

TI=0;

return 0xff;

}

TI=0; //校验码一致，表明数据接收正确，向主机发送成功信号，函数返回0x00

TB8=0;

SBUF=_SUCC_;

while(!TI);

TI=0;

return 0;

}

void main()

{

serial_init();

while(1)

{

SM2=1; //接收地址帧

while(aa!=addr) //从机等待主机请求自己的地址

{

RI=0;

while(!RI);

aa=SBUF;

RI=0;

}

TI=0; //一旦被请求，从机返回自己的地址作为应答，等待接收数据

TB8=0;

SBUF=addr;

while(!TI);

TI=0;

SM2=0; //接收数据帧

aa=0xff; //从机接收数据，并将数据保存到数据缓冲区

while(aa==0xff)

{

aa=RECE_data(Buff);

}

if(aa==0xfe)

continue;

P1=Buff[1]; //查看接收到的数据

}

}

(3)从机2程序

#include<reg51.h>

#include<string.h>

#defineaddr 0x02//从机2的地址

#define _SUCC_ 0x0f//数据传送成功

#define _ERR_ 0xf0//数据传送失败

unsigned char aa=0xff;//主机与从机之间通信标志

unsigned char Buff[20];//数据缓冲区

//串口初始化函数

void serial_init()

{

TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2

TH1=0xfd;

TL1=0xfd; //波特率为9600

PCON=0;

SCON=0xd0; //串口工作于方式3

TR1=1; //开启定时器

TI=0;

RI=0;

}

//接收数据函数

unsigned char RECE_data(unsigned char *Buff)

{

unsigned char i,temp;

unsigned char lenth;

unsigned char check;

RI=0; //接收数据长度

while(!RI);

if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe

return 0xfe;

lenth=SBUF;

RI=0;

check=lenth;

for(i=0;i<lenth;i++) //接收数据

{

while(!RI);

if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe

return0xfe;

Buff[i]=SBUF;

check=check^(Buff[i]);

RI=0;

}

while(!RI); //接收校验字节

if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe

return 0xfe;

temp=SBUF;

RI=0;

check=temp^check; //将从主机接收到的校验码与自己计算的校验码比对

if(check!=0) //校验码不一致，表明数据接收错误，向主机发送错误信号，函数返回0xff

{

TI=0;

TB8=0;

SBUF=_ERR_;

while(!TI);

TI=0;

return 0xff;

}

TI=0; //校验码一致，表明数据接收正确，向主机发送成功信号，函数返回0x00

TB8=0;

SBUF=_SUCC_;

while(!TI);

TI=0;

return 0;

}

void main()

{

serial_init();

while(1)

{

SM2=1; //接收地址帧

while(aa!=addr) //从机等待主机请求自己的地址

{

RI=0;

while(!RI);

aa=SBUF;

RI=0;

}

TI=0; //一旦被请求，从机返回自己地址作为应答，等待接收数据

TB8=0;

SBUF=addr;

while(!TI);

TI=0;

SM2=0; //接收数据帧

aa=0xff; //从机接收数据，并将数据保存到数据缓冲区

while(aa==0xff)

{

aa=RECE_data(Buff);

}

if(aa==0xfe)

continue;

P1=Buff[2]; //查看接收到的数据

}

}

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