几种单片机通信常用方式优缺点对比

[导读]在这个数字化和智能化的时代，单片机(Microcontroller Units, MCUs)已经成为现代电子设备中不可或缺的核心组件。从简单的家用电器如微波炉和洗衣机，到复杂的工业控制系统，甚至是高科技的自动驾驶汽车，单片机都扮演着至关重要的角色。

在这个数字化和智能化的时代，单片机(Microcontroller Units, MCUs)已经成为现代电子设备中不可或缺的核心组件。从简单的家用电器如微波炉和洗衣机，到复杂的工业控制系统，甚至是高科技的自动驾驶汽车，单片机都扮演着至关重要的角色。它们不仅负责执行基本的控制任务，还处理数据、管理用户界面，并与其他设备进行通信，今天，我们就来深入了解一下单片机的几种常见通信方式。

想象一下，串行通信就像是一条单行道，数据一个接一个地排队通过。这种方式虽然速度不是最快的，但胜在简单和成本低。它特别适合那些需要远距离传输数据的场合，比如家里的Wi-Fi路由器和你的手机之间的通信。串行通信在现代电子设备中非常常见，因为它既经济又实用。

对比之下，并行通信就像是一个多车道的高速公路，数据可以同时并行传输，速度飞快。这种通信方式在需要快速数据交换的场合特别有用，比如电脑内部的内存和处理器之间的数据传输。不过，并行通信的成本更高，因为它需要更多的线路和接口，而且不适合长距离传输，通常用在电路板上的芯片之间。

所以，选择串行还是并行通信，关键看你的需求。如果你需要经济实惠且能覆盖远距离的通信方式，串行通信是个不错的选择。但如果你追求速度，比如在高速打印机或高性能计算机中，那么并行通信会更适合你。随着技术的发展，虽然并行通信在某些领域仍然很重要，但串行通信因其灵活性和成本效益，在很多应用中越来越受欢迎。

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;

③包长度——指示整个数据包的长度;

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)。