基于瑞薩MCU的三方交互通信實現

朱苗苗，牛國鋒，張明新

（常熟理工學院計算機科學與工程學院，江蘇常熟215500）

基于瑞薩MCU的三方交互通信實現

朱苗苗，牛國鋒，張明新

（常熟理工學院計算機科學與工程學院，江蘇常熟215500）

以三個瑞薩78K0R微控制器為核心，外接功能模塊分別采用C語言編程實現不同的功能，然后根據串行通信原理設計搭建了三方之間交互通信環境，通過控制不同的MCU相互收發數據，實現瑞薩微控制器之間可靠穩定的數據傳輸功能，并通過各自液晶顯示終端顯示相應MCU之間的收發狀態和各功能模塊實現情況.該設計實現三方交互通信方式成本低，數據傳輸靈活、方便、可靠，具有較高的實用性.

瑞薩；微控制器；三方交互；串行通信

目前在通信領域內，雖然無線通信技術已經比較成熟，但串行通信技術在實際生活和研究中都占據著重要地位.串行通信只需要少數幾條線就可以在設備間進行信息交換，因此，串行通信非常適用于在低速率、長距離通信.隨著計算機及各種微控制器為主導的電子產品的應用，相互之間的通信功能也越來越重要，特別是在人們的生活和生產中，各種微控制器設備之間或者與外設之間經常要進行交互式數據交換和傳輸，串行通信數據傳輸是目前微控制器之間交互通信的一種有效手段，特別是多臺微控制器之間相互協作通信，通過簡單的控制線來實現它們之間的信息交流，各微控制器之間互為主從機，按照通信協議進行數據收發，大大提高了單片機的利用效率和功能，具有較高的實用性.

1　微控制器及串行通信

1.1瑞薩微控制器

微控制器技術的應用，實現了傳感器前端信號檢測的智能化，促進了電子技術將推動以傳感器為前端的電子系統的飛速發展.瑞薩電子在新型微控制器產品中加入了節能理念［1］，其中16位低功耗閃存78K0R系列微控制器產品具有低耗電量、智能化節能控制及高效能等特點，其整合多種周邊功能，使其依靠單MCU實現低成本、高性能的綠色節能系統，功能強大，具有支持尺寸更小、功耗更低的系統等主要特性［2］.

本設計主要以瑞薩78K0R/KG3系列uPD78F1166型號芯片為核心進行設計實現.

1.2串行通信

串行通信是把數據按照字節在一條傳輸線上逐個按若干位為單位進行傳輸，傳輸過程中需要一條傳輸線和若干控制信號線.對于每一個字節的數據按照一次一位進行傳輸，雙方必須按照制定好的通信約定，通過數據位長短的變化表達固定的信息.串行通信的優點是傳輸線少，長距離傳輸成本低［3］.

1.2.1串行通信原理

在串行通信技術中，為了通信的正常穩定，要考慮系統的通信速率、時鐘頻率等因素［4］，共同遵守通信協議規則.微控制器與計算機的串口通信也根據約定的協議，即可進行通信完成相應的操作.

1.2.2串行通信方式

串行通信可分為同步串行通信和異步串行通信兩種方式.同步串行通信是指通信時要同步建立發送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步［5］.異步串行通信是指通信的發送與接收設備使用各自的時鐘控制數據的發送和接收過程.本設計采用同步串行通信方式收發數據信息.

2　硬件設計

2.1各硬件模塊及實現功能

在實現交互通信的過程中，以各自微控制器和不同硬件模塊實現不同的功能為基礎，進行數據的收發傳輸.用到的主要硬件模塊及功能如下：

（1）LED.LED數碼管是多個LED應用最典型的電子元件，本設計采用8位數碼管顯示時間［6］.

（2）液晶顯示屏.LCD液晶顯示屏作為微控制器顯示終端，能夠便捷、直觀地進行各種數據和圖形的顯示.設計中采用128*64點陣液晶顯示屏對收發數據和各自實現的功能狀態進行監測顯示.

（3）矩陣鍵盤.本設計采用4*4矩陣鍵盤為微控制器提供字母或數字輸入、方向控制、通信選擇控制以及模塊功能控制.

（4）溫度傳感器.設計使用的是靈敏度較高的LM35溫度傳感器，用來測量實時的溫度值.

（5）可變電壓傳感器.可變電壓傳感器測量電壓值范圍0—5V，通過可調電阻值來調節并測量實時電壓值，采集到的模擬電壓值經模數轉換后輸出實際電壓值.

（6）步進電機.步進電機根據步控制信號執行離散的角度變化，實現馬達的轉速和轉動方向控制.

2.2硬件設計

系統設計主要采用三個單獨的微控制器，外接一些傳感器、7段LED、鍵盤和顯示液晶屏等，先各自實現不同的功能，然后相互之間協商通信，將數據或狀態發送給其他微控制器，并在終端顯示.為了便于區分，3個微控制器分別標記為MCU1、MCU2和MCU3.

MCU1外接4*4矩陣鍵盤、8位LED數碼管和128*64LCD液晶顯示屏，主要實現時間的同時顯示，顯示格式為XX（時）：XX分：XX秒.

MCU2外接4*4矩陣鍵盤、溫度傳感器、可變電壓傳感器和128*64LCD液晶顯示屏，通過AD轉換模塊實現溫度和電壓的實時測量，并同時顯示在LCD液晶顯示屏上，顯示格式為：VR=X.XX V，TEMP=XX.X C.

MCU3外接步進馬達和能夠控制馬達的按鍵、128*64LCD液晶顯示屏，按鍵主要實現控制步進馬達的正轉、反轉、轉速和停止，LCD顯示馬達的開關狀態、左轉或右轉狀態.

三個微控制器通過串行通信功能接口之間單線閉環連接.MCU1發送信號給MCU2，MCU2接收信號后開始工作，將工作后的數據發送給MCU3，之后MCU3收到MCU2發來的信號后保存MCU2的數據，然后工作記錄MCU3的數據，最后將MCU2和MCU3的數據發送給MCU1，MCU1將這兩個數據保存，做出相應的工作.

通信中采用三個獨立的瑞薩MCU作為核心，硬件各個接口連接示意圖如圖1所示.

3　軟件設計

3.1通信協議設計

在串行通信過程中，數據發送和接收方都是按照一個字節的數據以每次發送單個位數據進行，并遵循一定的通信協議.本設計中設定三方協商通信每幀共12位，格式為：幀首（1bit）+地址位（1bit）+幀長（1bit）+數據（8bit）+校驗位（1bit），協議以十六進制表示.通信過程中，在接收端接收到具有標志位（包括幀首、地址、幀長）后的8位就會重構一個字節的數據，保存到相應的位置后，再進行下一個字節數據的收發，直到數據收發完成.

圖1　硬件連接示意圖

3.2程序設計流程圖

實現三個微控制之間的交互通信是通過兩兩之間的通信來實現的，兩個MCU之間的通信實現程序設計流程如圖2所示.

圖2　兩個MCU之間通信實現程序設計流程圖

3.3程序設計實現

編譯開發環境采用瑞薩專用的CubeSuite集成型開發環境［7］和MINICUBE2仿真器技術.三個核心MCU分別通過具有Flash編程功能的片上調試仿真編譯器Minicube2與各自的電腦主機連接.完成所有的設計、編碼、評估和驗證任務.

在CubeSuite集成型開發環境中，根據MCU對應型號選擇78K0R/KG3，芯片組uPD78F1166（100pin），建立新的工程Project，工程建好后按照外接設備功能設計要求進行相應端口配置，C語言編程實現各自的功能及相應的模塊功能.然后再編程實現三個MCU之間協商通信，調試完成后進行系統編譯生成該工程，并同時通過瑞薩Debug工具——片上調試器將編寫好的程序燒寫入到相應的MCU芯片自帶內存中保存，接通電源即可獨立運行.

4　交互通信實現

4.1三方交互通信模型

三個微控制器各自實現各自不同的功能，然后它們之間互為主從機，通過串口控制線連接后，開始相互協作，按照設計好的通信協議實現兩兩之間的相互通信，最終實現三者間的數據收發和交互通信.

MCU1主要實現時間的同步顯示，8位數碼管和液晶屏的時間顯示格式同步為TIME：XX（時）：XX（分）：XX（秒）.當MCU1時間顯示正常開始發送數據給MCU2時，按鍵控制發送TX-2狀態顯示ON，MCU2接收端接收到數據后保存并在RX-TIME相應位置顯示時間；TX-2狀態顯示OFF，接收端停止.采用同樣方法MCU1發送數據到MCU3，MCU3在終端LCD上顯示接收到的數據.

MCU2實現溫度和電壓的實時測量，并通過AD轉換模塊將模擬電壓信號和溫度值轉換成標準電壓值和攝氏溫度值，并同時顯示在LCD液晶顯示屏上，顯示格式為：VR=X.XX V，TEMP=XX.X C.MCU2在自身電壓值和溫度值測量正常的情況下發送數據給MCU1，當按鍵控制TX-1位置狀態顯示ON時，MCU1接收到數據保存，并在顯示終端RX-VR和RX-TEMP位置分別顯示接收到的電壓值和溫度；當TX-1狀態顯示OFF時，發送停止.同樣方法MCU2發送數據到MCU3，MCU3在終端LCD上顯示接收到的數據.

MCU3主要實現按鍵控制步進電機的正轉、反轉、轉速和停止，LCD顯示電機的開關狀態、左轉或右轉狀態，顯示格式為MOTER：ON/OFF、L/R.MCU3按鍵控制步進電機開動狀態ON，運轉正常的情況下，向MCU1發送狀態數據.當按鍵控制TX-1位置狀態顯示ON時，電機左轉，MCU1接收數據保存數據，并顯示電機的狀態為L，電機右轉時，MCU1接收數據，并顯示電機的狀態為R；當按鍵控制TX-1位置狀態顯示OFF時，停止發送數據.同樣方法MCU3發送數據到MCU2，MCU2在終端LCD上顯示接收到的電機轉動狀態.

4.2終端顯示界面

MCU1、MCU2、MCU3三個微控制器對應連接的LCD終端顯示界面如圖3所示.每個顯示界面中，首先顯示本MCU實現的對應功能，其次，方框內顯示接收到其它MCU發送來的對應數據信息，最后是對其他MCU的發送狀態及選擇.

圖3　三個微控制器對應的LCD顯示界面

4.3控制通信實現

在通信前，三個串行接口的波特率都設置為9600 bps，分別將編寫好的程序燒寫到每個連接相應模塊的MCU中，然后進行相應操作來實現通信.通信過程中，每個微控制器連接的4*4矩陣鍵盤根據需要都設定好了相關的輸入和控制功能.上電后，MCU1首先通過設定鍵和數字鍵，設定一個時間并開始運行，打開發送鍵開始發送數據，然后在MCU2或MCU3接收端通過鍵盤左右移動鍵選定MCU1，并打開數據接收，這時就能接收到發送過來的時間值，經過比對，沒有時間延遲.經過同樣實驗，MCU1和MCU3接收到MCU2發送的電壓值和溫度值，由于傳輸距離較短，沒有產生明顯誤差；MCU1和MCU2接收到MCU3發送的馬達轉動信息也都正常有效.

實驗證明，瑞薩微控制器之間的三方交互通信穩定可靠，為單片機之間的相互協作通信和應用奠定了良好的基礎.

5　結語

本文介紹了多個微控制器相互之間通信的方法，以三個獨立的瑞薩MCU為核心，分別外接各種傳感器、輸入設備和顯示終端，實現各自不同的功能.然后各單片機之間互為主從機，通過串口控制線實現兩兩之間的交互通信，最終實現三者之間相互傳輸接收數據和相互協商通信，并通過顯示終端對各控制器的收發數據信息和控制器的收發狀態進行直觀顯示，大大提高了單片機的利用效率和功能.

［1］牛國鋒.基于瑞薩MCU的溫度預警系統設計與實現［D］.上海：華東理工大學，2013：1-5.

［2］付強生.基于瑞薩電子78KK0/Ix2系列MCU的智能照明設計［N］.電子報，2011-11-27.

［3］呂瑞云.基于單片機的串行通信研究［J］.電子世界，2012（13）：76-77.

［4］張建華；劉玉玲；吳允志.基于單片機串行通信的LED點陣顯示系統的設計與實現：以16×32LED點陣顯示器為例［J］.數字技術與應用，2013（5）.

［5］徐小濤.基于MCS-51單片機的串行通信實現［J］.計算機與網絡，2010（19）：51-54.

［6］程晨.Arduino電子設計實戰指南：零基礎篇［M］.北京：機械工業出版社，2013：77-78.

［7］瑞薩科技公司.適用于微控制器的CubeSuite+集成型開發環境［J］.電子制作，2011（7）：5.

The Three-way Interaction Communication Based on Renesas MCU

ZHU Miaomiao，NIU Guofeng，ZHANG Mingxin
（School of Computerscience and Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

Taking three microcontrollers of Renesas 78KOR as the core，external function modules use C language programming to achieve different functions.Then based on the principle ofserial communication design，a tripartite interaction between communication environments isset up.By controlling the different MCU tosend and receive data mutually，a reliable andstable data transmission function between Renesas controllers is realized，and through their respective LCD terminals，the receiving andsendingstate is displayed between MCU and each function module.The design of the three-way interaction communication has a low cost，a flexible，convenient and reliable data transmission and a higher practicability as well.

Renesas；MCU；three-way interaction；serial communication

TP368.1

A

1008-2794（2015）04-0089-04

2016-04-10

國家自然科學基金項目“基于視覺感興趣區域的協同圖像檢索研究”（61173130）

牛國鋒，實驗師，碩士，研究方向：嵌入式系統應用，無線傳感網技術，E-mail：ngf912@sina.com.