2020年11月09日 | 使用普通IO口自定义协议实现两个51单片机互相通讯

因为想使两个51单片机通讯，又不能使用串口，因为STC89C52单片机只有一个串口，己被占用了，没有串口可以用。所以编写了这个程序。

使用仿真软件进行测试，工作正常。



在电路上实际测试，运行正常。
对控制线，进行短接干扰，测试，都按照预想的结果运行。



测试代码：
发送端不停的发送自定义数据帧，每发送一次，将第数据帧中的2个字节数加 1，再发送。
接收端使用LCD1602 将接收的据据帧中的第2个字节，显示出来。
对两根控制线进行断线，和对地短路干扰测试，也按照预想，干扰消除后，恢复正常工作。

下面是说明文档，附件源代码，和仿真电路图下载。

双单片机通信协议说明文档

一、通信协议的作用

     功能：实现两片51单片机互相通信，4根线单向通信，8根线双向通信。

     工作方式：使用普通IO口，不断轮询方式通讯。 （不使用单片机的中断，不使用串口）

     适用场景：电路上两片51单片机，需要互相通讯。

     传输速度：使用Porfessional和keil联调，在单片机的晶振频率为11.0592MHZ，单片机型号AT89C 51。两片单片机的时间全部用在轮询，测试约27MS接受完成16个字节数据。

     （注：测试时发现的问题，Porfessional和keil联调，调试那个CPU就需要把正在调试的CPU改为U1，不然另一个CPU里面的代码没有运行，没有反应不能调试）。

定义数据帧的格式

传输1个字节的流程

分析运行时的步骤

协议在运行时，发送端控制C1,D1,D2三根线的电平状态，接收端控制C2一根线的电平状态。发送端不断在轮询C2的状态，接收端也同时在不断轮询C1的状态。这两根线我们把他称为控制线，也称为握手线。D1和D2我们把他称为数据线，两根线的电平可以表示4种状态，状态的表示如下：

为什么需要有(一个字节传输开始和一个字节传输结束)这两种状态，直接传送0和1不就可以了吗？我举一个例子：现在我们要把4个字节的数据发送给对方。如：01100110  01100110  01100110 01100110，按照正常的接收，接收端依次读取8个比特然后存入1字节，依次读完36比特存入4字节。但是通讯协议的设计应该要考虑到异常情况，如果由于某种原因受到干扰，这36比特中间少传或者多传了1比特。接收端接下来再以每8比特为1字节的取，接下来的数据就会全部错位。使用开始位和结束位来标识，就解决了这个问题。

发送和接收1比特数据的步骤如下：

初始状态：四根线的电平都为高电平1， 51单片机的IO口默认也是高电平。接收端在不断轮询C1的状态。

步骤一：发送端，发送1比特数据，在代码里，首先将D1和D2置为需要表达的电平，然后将C1置为底电平，等待接收端C2的底电平响应。（因为CPU执行指令是需要时间的，如果发送端先将C1置为底电平，然后再置D1和D2的电平，接收端恰好在C1刚为底电平时，检测到并且读取了D1和D2的状态。发送端还没来的及对D1和D2置需要的电平，这时就读到了错误的数据。虽然概率很小，但是这样可以避免。）

步骤二：接收端，检测到C1的状态是0时，表示发送端在发送1比特数据，接收端读取D1,D2的电平状态接收后，将C2置为底电平，表示己接收。然后等待接收端将C1恢复为高电平。

步骤三：发送端，检测到C2被置为底电平，表示接收端收到了数据，于是将C1恢复为高电平。等待C2恢复为高电平。

步骤四：接收端，检测到C1恢复为高电平，将C2恢复为高电平。

步骤五：发送端，检测到C2恢复为高电平，继续发送下一个比特。跳到步骤一(循环)。

分析协议在传输数据过程中受到干扰会发生的状态

在正常工作的情况下，数据会由发送端发送，接收端完成接收，一直运行。但是设计协议需要考虑到抗干扰性，受到干扰之后，协议能够恢复正常工作，继续传输数据，而不是停在某个状态。（例如：发送端在等待接收端响应，接收端同时也在等在发送端响应，一直停在这样的状态）。

现在我们来分类别分析发送端和接收端的等待情况，检查看能否发生同时等待的现象，造成死锁，数据传输停在这个状态。

发送端发生等待的2种情况：

（1）    发送端C1置底电平，等待接收端C2底电平响应     （在第一步）

（2）    发送端C1置高电平，等待接收端C2高电平响应     （在第五步）  

接收端发生等待的2种情况：

（1）    接收端C2是高电平，等待发送端C1的底电平          (在第一步)         

（2）    接收端C2置底电平，等待发送端C1高电平响应     （在第二步）

分析控制线的状态：如果有一个条件符合，其中的一端控制线的电平就会发生改变，不会发生死锁。如果没有条件符合，就会发生死锁。

分析1：发送端（1）和接收端（1）相结合，总有一个条件符合，不会发生死锁。

分析2：发送端（1）和接收端（2）相结合，总有一个条件符合，不会发生死锁。

分析3：发送端（2）和接收端（1）相结合，总有一个条件符合，不会发生死锁。

分析4：发送端（2）和接收端（2）相结合，总有一个条件符合，不会发生死锁。

结论：不会发生死锁

现在我们再来分类别分析发送端和接收端的异常情况，数据在传输时，会发生的情况。

1、接收端和发送端两片单片机不是同时启动分两种情况

（1）发送端先启动，接收端后启动，结果：接收端启动后开始检测C1的电平，接收比特数据，不影响。

（2）接收端先启动，发送端后启动，结果：发送端启动后，如果有数据，置C1为底电平，开始发送比特数据，不影响。

2、接收端在接收比特数据的时候死机重启分2种情况

      （1）在步骤一，接收端死机重启后，接收端检测到C1为0，开始接收数据。如果不是开始位，丢弃接收到的比特，直到收到开始位。结果：会丢弃不完整数据，继续接收，恢复通讯。

     （2）在步骤三，接收端死机重启后，接收端默认置C2为高电平，发送端检测到C2为高电平，认为接收端响应，继续发送下1比特数据。接收端开始接收比特数据。结果：会丢弃不完整数据，继续接收，恢复通讯。

    （3）在步骤五，接收端死机重启后，结果和（步骤三）一样。

3、发送端在发送比特数据的时候死机重启分 3种情况

（1）在步骤二，发送端死机重启后，发送端恢复到初始状态，开始发送1比特，置C1为0。接收端在等待C1为1，等不到。但是接收端检测到C2被接收端己置为0，发送端认为接收端己收到数据，发送端响应，置C1 为1，接着正常执行后面的步骤。结果：发送端发送的这1比特丢失，会丢弃不完整的数据，继续接收，恢复通讯。

（2）在步骤二，发送端死机重启后，发送端恢复到初始状态，开始发送1比特，置C1为0的过程中。在发送端重启过程中，C1有一段时间为高电平，接收端正好收到，并响应。接收端进入步骤四。

（3）在步骤四，发送端死机重启后，发送端恢复到初始状态，开始发送1比特，置C1为0。接收端己完成1比特接收，没有等待，继续接收数据。结果：会丢弃不完整的数据，继续接收，恢复通讯。

4、在发送数据的1个初始状态和5个步骤过程中，控制线电平受到干扰分类别分析

（1）在初始状态，发送端没有数据需要发送：C1，C2全部为高电平，这时，接收端在等待C1的底电平到来然后接收比特数据。C1，C2受到干扰，由高电平变为底电平。

接收端的代码如果正好执行到检测C1位置，接收端响应，进入步骤二，等待C1恢得为高电平。干扰消除后，C1恢复为高电平，接收端进入步骤四完成1比特数据接收，继续接收下1比特数据。结果：接收1比特错误数据，续续接收，恢复通讯。

接收端的代码如果没有执行到检测C1位置，干扰消除。结果：无影响。

初始状态，发送端没有检测C2状态，受到干扰，无影响。

（2）在步骤1，发送端发送1比特数据，置C1为底电平，发送端等待C2的底电平来到来。C2受到干扰，由高电平变为底电平。

     发送端的代码如果正好执行到检测C2位置，发送端认为接收端己接收到1比特数据并响应，发送端进入步骤三，置C1为高电平，等待C2恢复为高电平。干扰消除后，C2恢复为高电平。发送端进入到步骤五。结果：接收端少收到1比特数据，恢复通讯。

发送端的代码如果正好执行到检测C2位置，同时，接收端检测到C1为底电平，接收1比特数据并响应C2为底电平。结果：接收端正确收到1比特数据，无影响。

发送端的代码如果没有执行到检测到C2的位置，干扰消除。结果：无影响。

（3）在步骤2，接收端收到1比特数据，置C2为底电平，接收端等待C1的高电平到来。C1受到干扰，由底电平变为高电平。

     接收端代码正好执行到检测C1位置，接收端认为发送端响应，接收端完成1比特数据接收，进入步骤四，恢复C2为高电平。干扰消除后，继续接收发送端的数据。结果：收到错误的1  比特数据，恢复通讯。

     接收端代码没有执行到检测C1的位置，干扰消除。结果：无影响。

（4）在步骤3，发送端等待C2为高电平。受到干扰，C2变为高电平。

发送代码正好执行到检测C2位置，发送端认为接收端响应，跳到步骤五。如果此时接收端正好响应，则完成1比特数据发送。结果：无影响。

发送端等待C2为高电平。受到干扰，C2变为高电平。发送代码正好执行到检测C2位置，发送端认为接收端响应，跳到步骤五，然后又跳到步骤一，发送到下1比特数据。此时接收端在等待C1的高电平，然而C1是底电平，接收端继续等待。但是C2被接收端置为底电平，发送端认为接收端己接收1比特数据响应。进入步骤三，置C1为1，接收端响应，完成1比特数据接收。结果：接收端少收到1比特数据。

（5）在步骤4，接收端己完成接收，接收端在检测C1的底电平到来，接收数据。

       C1受到干扰，由高电平变为底电平，然后干扰消除恢复为高电平。接收端会多收到1比特数据。当然这比特数据是错误的数据。结果：收到错误的1比特数据，恢复通讯。

        C2受到干扰，由高电平变为底电平，干扰消除后恢复为高电平。因为发送端在这一步骤在等待接收端C2的高电平，然后发送数据，结果：干扰消除后发送端开始发送数据，无影响。

（6）在步骤5，实际就是初始状态。受到干扰发生的情况，也一样，就不再重复。

结论：受到干扰有三种结果：1，多收到1比特数据(数据是错误的)。2，少收到1比特数据。3，收到1比特错误数据。所以通信协议在受到干扰的情况下，不能保证数据的完整性，但是干扰消除，能够恢复通讯。这个通信方式，设计的时候，是尽可能的让数据传输，需要上层的通信协议来识别数据是否正确。