《匠人手记》之二十四：利用单片机I/O口进行单线单工通信.pdf

简介：
《匠人手记》系列分享实用电子技术知识，本期聚焦于单片机I/O口应用，详解如何通过单根信号线实现简单高效的单工通信。 《匠人手记》第24期的专题是“用单片机IO口实现单线单工通讯”。这一主题深入探讨了如何在缺乏标准串行通讯接口的廉价单片机上，利用其GPIO引脚来模拟串行通讯的过程。 ### 1. 前言与背景 在很多低成本单片机设计中，由于成本和资源限制，并不会配备如UART这样的标准串行通信接口。因此工程师们需要创造性地使用单片机的通用输入输出（GPIO）引脚来实现类似的功能。《匠人手记》本期内容正是围绕这一需求展开，提供了一个具体的解决方案——通过单线单工通讯实现主机与从机之间的数据传输。 ### 2. 单线单工通讯原理 #### 硬件连接 单线单工通信仅需一条信号线和地线即可完成数据传输。在《匠人手记》中，作者提出了一种高效的唤醒机制：由主机通过高电平脉冲唤醒处于睡眠状态的从机，从而节省了从机的功耗。 #### 通讯协议 - **引导码**：持续100ms左右的高电平用于唤醒从机。 - **数据码**：由8位组成，低位bit0先发送。每位数据码由一个低电平和一个高电平组成；低电平时长固定为1t，而高电时长则根据是逻辑“0”（1t）还是逻辑“1”（3t）变化。 - **结束码**：持续时间大于等于5t的低电平用于标志通讯结束。 - **空闲状态**：通讯线在空闲时处于低电平。 ### 3. 波特率自适应 为了解决因从机振荡源不稳定导致的频率误差问题，《匠人手记》提出增加一个波特率校准位，位于引导码之后、数据码之前。这一步骤允许从机测量标准时间单位“t”，确保即使在系统频率变化的情况下也能准确识别数据。 ### 4. 从机通讯接收程序流程 从机的接收程序主要包含以下几个步骤： - 等待引导码结束。 - 检测校准位，计算t值。 - 解码数据位。 - 检测结束码，退出接收模式。 此外还包含了异常处理机制：如计时超时、数据位高电平时间不正确等情况将判定为通讯失败。文中特别提到实时性问题，在某些应用场景中若通讯失败系统不能及时退出接收程序可能导致假死状态，需要特别注意设计考量。 ### 5. 结论与应用 《匠人手记》中的单线单工通信方案不仅适用于低成本、低功耗的嵌入式设备，并且通过波特率自适应技术提高了系统的稳定性和可靠性。实际应用中还需根据具体需求调整通讯协议细节，以满足不同的工作环境和功能要求。此方案展现了工程师在面对限制条件时利用有限资源解决问题的能力。 《匠人手记》第24期所涵盖的单线单工通信技术是嵌入式系统设计中的实用且富有创意的技术，对于从事相关领域工作的工程师及爱好者来说具有重要的参考价值。