單片機多機通信的設計方案及原理有哪些？
2023-12-24 20:07:46 點擊：
[導讀]在多機通信過程中，主機先發送某一從機的地址，等待從機的應答，所有的從機接收到地址幀后與本機地址進行比較，若相同，則將SM2置0準備接收數據;若不同，則丟棄當前數據，SM2位不變。
隨著社會經濟的不斷發展進步，科技的不斷飛升，在新時代的背景下網絡通信已經成了人們最為常 用的科學技術產品之一，由于生活水平得到了提高人們在日常的追求上也發生著變化，而對于通信 的產品可以說是有著日新月異的變化，人們在網絡通訊以及工業自動化和數據傳輸等這方面的實踐 操作中會需要一個控制系統對于所運行的數據來進行有效地控制與檢測，以此來讓通信系統能夠及 時高速的進行正常通訊，基于它的種種優點在當下已經得到了較為廣泛的應用。
在多機通信中，主機必須要能對各個從機進行識別，在51系列單片機中可以通過SCON寄存器的SM2位來實現。當串口以方式2或方式3發送數據時，每一幀信息都是11位，第9位是數據可編程位，通過給TB8置1或置0來區別地址幀和數據幀，當該位為1時，發送地址幀;該位為0時，發送數據幀。
在多機通信過程中，主機先發送某一從機的地址，等待從機的應答，所有的從機接收到地址幀后與本機地址進行比較，若相同，則將SM2置0準備接收數據;若不同，則丟棄當前數據，SM2位不變。
單片機構成的多機通信系統中常采用總線型主從式結構。在多個單片機組成的系統中，只允許存在一個主機，其他的就是從機，從機要服從主機的控制，這就是總線型主從式結構。
當 51 單片機進行多機通信時，串口要工作在方式 2 和方式 3。假設當前多機通信系統有 1 個主機和 3 個從機，從機地址分別是 00H、01H、02H。如果距離很近它們直接可以以 TTL 電平通信，一旦距離較遠的時候，常采用 RS-485 串行標準總線進行數據傳輸。
為了區分是數據信息還是地址信息，主機用第九位數據 TB8 作為地址 / 數據的識別位，地址幀的 TB8=1，數據幀的 TB8=0。各從機的 SM2 必須置 1。
在主機與某一從機通信前，先將該從機的地址發送給各從機。由于各從機 SM2=1，接收到的地址幀 RB8=1，所以各從機的接收信息都有效，送入各自的接收緩沖器 SBUF，并置 RI=1。各從機 CPU 響應中斷后，通過軟件判斷主機送來的是不是本從機地址，如是本從機地址，就使 SM2=0，否則保持 SM2=1。
接著主機發送數據幀，因數據幀的第九位數據 RB8=0，只有地址相符的從機其 SM2=0，才能將 8 位數據裝入接收緩沖區 SBUF，其他從機因 SM2=1，數據將丟失，從而實現主機與從機的一對一通信。
串口工作方式 2、3 也可以用于多機通信，此時第九位數據可作為奇偶校驗位，但必須使 SM2=0。
對于現代所見到的的單片機基本上都是帶有通信接口的，能夠方便的和計算機在信息數據上進行通 信這給通信設備以及計算機網絡之間在應用的層面上提供了有力的物質基礎條件，在當下的通信設 備的使用上都已經實現了對于單片機的智能控制，像手機、列車無線通信、無線電對講機等等，在 單片機的通信應用應該說是從兩片單片機間的通信開始的，再往后就有了主從式的通信設備，在后 就出現了基于單片機的多機通信系統的應用，同時得到了廣泛的應用，雖然說在單片機的多機通信 上面有了很長的研究史但是在形式上也基本都是主從式的，對于平權式的就相對較少。
在系統的設計中對于通信的協議工作的相關過程主要包括了發送數據的過程以及接收數據的過程， 可以采取異步半雙的這種通信模式來進行設計，也就是可以在相同的時間段由主機進行發送從機進 行接收，或者是從機進行發射由主機進行接收，這樣的設計能夠使系統的工作更加的有效便捷，在 整個的系統設計當中占有著相當重要的位置。在接收的同時從機有著兩種方式，一個是等待接收這 是由處理器來對串口的狀態進行查詢而得到的判斷;二就是中斷接收面對一個對著多個的傳輸數據 的命令系統首先會在接收中斷的過程當中對連接的命令進行解析，當這個“連接”命令得到了信息 之后，主程序就會立即進入到一個設置的狀態，然后就會以查詢的方法對其余的協議進行解析，在 這個過程中協議的解析首先是對數據包的一個正確性以及完整性進行的判斷，隨后就是對數據以及 數據的類型進行的提取，這些結束后就把提取的相關數據存放起來，用作對主程序的處理，通常會 采用中斷接收這種方式會比較好。在接收數據的過程中主機可以和從機得到一致的結合，在串口打 開之后對遠程的監視串口的數據接收也要開啟，然后把接收到的數據放置到緩沖區域由此同時把接 收數據的消息傳送給主程序，這時數據就會和消息一起傳輸給主程序那里，隨后主程序就會對消息 進行開啟開始處理函數以及數據。
越來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，對于某一些場合，比如：復雜的后臺運算及通信與高實時性前臺控制系統、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型的單片機組合設計，可以得到極高靈活性與性能價格比，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題，本文將分析比較幾種單片機之間的方式、難點，并提出一種解決方案。
一、幾種常用單片機之間的通信方式
1、采用硬件UART進行異步串行通信
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沒有硬件 UART，有些也只有1個UART，如果系統還要與上位機通信的話，硬件資源是不夠的，這種方法一般用于單片機有應件UART且不需與外界進行串行通信或采用雙UART單片機的場合。
2、采用片內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，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銷會形成一個很大的矛盾，處理不好會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合。
4、口對口并行通信，利用單片機的口線直接相連，加上1～2條握手信號線，這種方式的特點是通信速度快，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，而且數據傳遞是準同步的，在一個單片機向另一個單片機傳送1個字節以后，必須等到另一個單片機的接收響應信號后才能傳送下一個數據。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就是通信速度快，兩邊都可以直接用讀寫存儲器的指令直接操作;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上實現，因此尋求一種簡單、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字節做出響應，通信數據量較大時會耗費大量的軟件資源，這在一些實時性要求高的地方是不允許的。
針對這一問題，假設在單片機之間增加1個數據緩沖器，大批數據先寫入緩沖區，然后再讓對方去取，各個單片機對數據緩沖器都是主控模式，這樣必然會大大提高通信效率，談到數據緩沖，我們馬上會想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口線(數據線+地址線+讀寫線+片選線+握手線)，一般在16條以上，這是一個讓人望而生畏的數字，而且會大大增加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“先進先出”結構，所以不管傳遞數據多少，接收方必須移完整個寄存器，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“鐵電存儲器”芯片的出現，給我們帶來了解決方法。
二、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，簡稱FRAM，與普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需寫入時間、讀寫次數無限，沒有分布結構可以連續寫放的優點，因此具有RAM與EEPROM的雙得特性，而且價格相對較低，現在大多數的單片機系統配備串行EEPROM(如24CXX、93CXX等)用來存儲參數。
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(或多個)單片機與1片FRAM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議問題，即可實現簡單、高效、可靠的通信了。
三、實例(雙單片機結構，多功能低功耗系統)
1、硬件
W78LE52與EMC78P458組成一個電池供電、可遠程通信的工業流量計，78P458采用32.768kHz晶振，工作電流低，不間斷工作，實時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。
通信接口部分線路如圖1所示，2個單片機共用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據。
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個主機同時去操作從機(防沖突)是一個非常重要的問題。帶有硬件I2C模塊的器件一般是這樣的，器件內部有1個總線仲裁器與總線超時定時器：當總線超時定時器超時后指示總線空閑，這時單片機可以發出獲取總線命令，總線仲裁器通過一系列操作后確認獲取總線成功或失敗;超時定時器清零，以后的每一個SCL狀態變化對總線所有主機的超時定時器進行清零，以防止它溢出，指示總線正處于“忙”狀態，直到一個主機對總線控制結束不再產生SCL脈沖;超時定時器溢出，總線重新回到“空閑”狀態。
但是目前大多數單片機沒有配備硬件I2C模塊，而且當2個主機的工作頻率相差較大時，超時定時器定時值只能設為較大的值，這樣也會影響總線的使用效率，下面介紹一種用軟件模擬I2C總線仲裁的方式(I2C讀寫操作程序的軟件模擬十分多見，這里不再多述)：用1條握手線A，流程圖如圖2所示，當A線高電平時，指示總線空閑;當其中一個主機要獲取總線控制權時，先查詢總線是否空閑，“忙”則退出，空閑則向A線發送一個測試序列(如：1000101011001011)，在每次發送位“1”后讀取的A線狀態。如果讀取狀態為“0”，馬上退出，說明有其它器件已經搶先獲取總線;如果一個序列讀取的A線狀態都正確，則說明已成功獲得總線控制權，這時要拉低A線以指示總線“忙”，直到讀寫高A線，使總線回到“空閑”狀態。不同的主機采用不同的測試序列，或產生隨機測試序列，測試序列長度可以選得長一些，這樣可以增加仲裁的可靠性。
3、通信協議
一個可靠通信體系，除了好的硬件電路外，通信協議也至關重要，在單片機系統RAM資源與執行速度都非常有限的情況下，一個簡捷有效的協議是非常重要的，下面具體介紹一種比較適用于單片機通信的協議，數據以包的形式傳送。數據包結構：
①包頭——指示數據包的開始，有利于包完整性檢測，有時可省略;
②地址——數據包要傳送的目標地址，若只有雙機通信或硬件區分地址可以省略;
③包長度——指示整個數據包的長度;
④命令——指示本數據包的作用;
⑤參數——需要傳送的數據與參數;
⑥校驗——驗證數據包的正確性，可以是和校驗、異或校驗、CRC校驗等或者是它們的組合;
⑦包尾——指示數據包的結尾，有利于包完整性檢測，有時可省略。
4、通信流程
首先，要在FRAM里劃分好各個區域，各個單片機的參數區、數據接收區等，然后，單片機可以向另一個單片機發送數據包，發送完畢之后通過向握手線B發送1個脈沖通知對方取走數據;接收方讀取數據并進行處理后，向FRAM內發送方的數據接收區寫入回傳數據或通信失敗標志，再向握手線B發送1個脈沖回應發送方，表3是單片機1啟動1次與單片機2之間的通信的例子，如果需要單片機2發送的話，只需交換一下操作過程即可。
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