第12章单片机的串行扩展技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,12,章 单片机的串行扩展技术,单片机的,串行扩展技术,与并行扩展技术相比具有显著的优点，串行接口器件与单片机接口时,需要的,I/O,口线很少,（仅需,1,4,条），极大地简化了器件间的连接，进而提高了可靠性。串行接口器件,体积小,，因而,占用电路板的空间小,，仅为并行接口器件的,10%,，明显减少了电路板空间和成本。,除上述优点外，还有工作电压宽、抗干扰能力强、功,耗低、数据不易丢失,等特点。,因此，串行扩展技术在,IC,卡、智能仪器仪表以及分布式控制系统等领域得到了,广泛的应用。,12.1,单总线接口简介,单总线（,1-Wire bus,）,是由,DALLAS,公司,推出的外围串行扩展总线。它只有一条数据输入,/,输出线,DQ,，总线上的所有器件都挂在,DQ,上，电源也通过这条信号线供给，这种使用一条信号线的串行扩展技术，称为,单总线,技术。,各种器件，,由,DALLAS,公司提供的专用芯片实现。,每个芯片都有,64,位,ROM,，厂家对每一个芯片用激光烧写编码，其中存有,16,位,十进制,编码序列号,，它是,器件的地址编号,，确保它挂在总线上后，可以唯一被确定。除了器件的地址编码外，芯片内还包含收发控制和电源存储电路，如,图,12-1,所示。,图,12-1,这些芯片的,耗电量都很小,（空闲时几,W,，工作时几,mW,），工作时从总线上,馈送电能到大电容中,就可以工作，故,一般不需另加电源,。,图,12-2,为一个由单总线构成的,分布式温度监测系统,。多个带有单总线接口的数字温度计和多个集成电路,DS1820,芯片都挂在,DQ,总线上。单片机对每个,DS1820,通过总线,DQ,寻址。,DQ,为漏极开路，须加上拉电阻。,DALLAS,公司为单总线的寻址及数据的传送提供了,严格的时序规范,，具体内容读者可,查阅相关资料,。,图,12-2,12.2 SPI,总线接口简介,SPI,（,Serial Periperal Interface,）,是,Motorola,公司,推出的,同步串行外设接口,，允许单片机与多个厂家生产的带有该接口的设备直接连接，以串行方式交换信息。,使用,条线,：串行时钟,SCK,，主器件输入,/,从器件输出数据线,MISO,（简称,SO,），主器件输出,/,从器件输入数据线,MOSI,（简称,SI,）和,从器件选择线,。,SPI,的典型应用是,单主系统,。该系统只有一台主器件，从器件通常是外围接口器件，如存储器、,I/O,接口、,A/D,、,D/A,、键盘、日历,/,时钟和显示驱动等。,图,12-3,是,SPI,外围串行扩展结构图。,图,12-3,单片机与外围器件在时钟线,SCK,、数据线,MISO,和,MOSI,都是,同名端相连。,扩展多个外围器件时，,SPI,无法通过数据线译码选择，故接口的外围器件都有片选端。在,扩展单个,SPI,器件,时，外围器件的片选端可以接地或通过,I/O,口控制；在,扩展多个,SPI,器件,时，单片机应分别通过,I/O,口线来分时选通外围器件。,在,SPI,串行扩展系统中，如果某一从器件,只作输入,（如键盘）或,只作输出,（如显示器）时，,可省去一条数据输出,（,MISO,）或一条数据输入（,MOSI,），从而,构成双线系统（接地）。,SPI,系统中从器件的选通依靠其引脚，数据传送软件十分简单，,省去了传输时的地址选通字节。,但在扩展器件较多时，连线较多。,在,SPI,串行扩展系统中，作为主器件的单片机在启动一次传送时，便,产生,8,个时钟,，传送给接口芯片,作为同步时钟,，控制数据的输入和输出。数据的传送格式是高位（,MSB,）在前，低位（,LSB,）在后，如,图,12-4,所示。,数据线上输出数据的变化以及输入数据时的采样，都取决于,SCK,。但对于不同的外围芯片，有的可能是,SCK,的上升沿起作用，有的可能是,SCK,的下降沿起作用。,图,12-4,SPI,有,较高的数据传输速度,，最高,可达,1.05Mb/s,。,Motorola,公司,为广大用户提供了一系列具有,SPI,接口的单片机和外围接口芯片，如存储器,MC2814,，显示驱动器,MC14499,和,MC14489,等芯片。,SPI,外围串行扩展系统的,主器件,是,单片机,，也可以不带,SPI,接口,，但是,从器件,一定要有,具有,SPI,接口,。,12.3 I,2,C,串行总线的组成及工作原理,I,2,C,串行总线只有,两条信号线,，一条是数据线,SDA,，另一条是时钟线,SCL,，所有连接到,I,2,C,总线上器件的数据线都接到,SDA,线上，各器件的时钟线均接到,SCL,线上，,I,2,C,总线系统的基本结构如,图,12-5,所示。,它可以使具有,I,2,C,总线的单片机,（如,PHILIPS,公司的,8xC552,）,直接与具有,I,2,C,总线接口的各种扩展器件,（如存储器、,I/O,口、,A/D,、,D/A,、键盘、显示器、日历,/,时钟）,连接,。,对不带有,I,2,C,接口的单片机,（如,89C51,）可采用普通的,I/O,口结合,软件模拟,I,2,C,串行接口总线时序,的方法，完成,I,2,C,总线的串行接口功能。,12.3.1,I,2,C,串行总线概述,只有,两条,信号线,，一条是,数据线,SDA,，另一条是,时钟线,SCL,，所有连接到,I,2,C,总线上器件的数据线都接到,SDA,线上，各器件的时钟线均接到,SCL,线上，,系统的基本结构,如,图,12-5,所示。,图,12-5,I,2,C,的运行由主器件控制，主器件是指启动数据的发送（发出起始信号）、发出时钟信号、传送结束时发出终止信号的器件。,主器件,可以具有,I,2,C,总线接口，也可以不带,I,2,C,总线接口。,从器件,可以是存储器、,LED,或,LCD,驱动器、,A/D,或,D/A,转换器、时钟,/,日历器件等，从器件,必须带有,I,2,C,总线接口,。,I,2,C,串行总线的,SDA,和,SCL,是双向的，带有,I,2,C,总线接口的器件的,输出端为漏级开路,，故,必须通过上拉电阻接正电源,（见图,12-5,中的两个电阻）。,总线空闲时，两条线均为高电平。由于连接到总线上的器件的输出级必须是漏级或集电极开路的，只要有一个器件输出低电平，都将使总线上的信号变低。,SCL,线,上的时钟信号对,SDA,线上的各器件间的数据传输起同步控制作用。,SDA,线上的数据起始、终止及数据的有效性均要根据,SDA,线上的时钟信号来判断。,标准,I,2,C,普通模式,，数据的传输速率为,100kb/s,，,高速模式,可达,400kb/s,。,总线上,扩展器件的数量,不是由电流负载决定，而是,由电容负载,确定。,I,2,C,总线上每个节点器件的接口都有一定的等效电容，连接的器件越多，电容值越大，这会造成信号传输的延迟。,总线上允许的器件数以总线上的电容量不超过,400pF,（,通过驱动扩展可达,4000pF,），据此可计算出总线长度及连接器件的数量。每个连到,I,2,C,总线上的器件都有一个唯一的地址，扩展器件时同时也要受器件地址数目的限制。,I,2,C,总线系统,允许多主器件,，为避免混乱，某一时刻究竟由哪一台主器件来控制总线要通过,总线仲裁,来决定。读者可,查阅,I,2,C,总线的仲裁协议,。当然，经常遇到的是以单片机为主器件，其他外围接口器件为从器件的单主器件情况。,12.3.2 I,2,C,总线的数据传送,1,数据位的有效性规定,在,I,2,C,总线上，每一数据位的传送都与时钟脉冲相对应，逻辑,“,0,”,和逻辑,“,1,”,的信号电平取决于相应电源,V,CC,的电压。,I,2,C,总线在,进行数据传送,时，,时钟线为高电平,期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在,时钟线为低电平,期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化，如,图,12-6,所示。,根据,I,2,C,总线协议，总线上,数据传送的信号由起始信号（,S,）、终止信号（,P,）、应答信号（,A,）、非应答信号,(A,*,）以及总线数据位,组成,。,图,12-6,（,1,）起始信号（,S,）。,在,SCL,线,为高电平期间，,SDA,线,由高电平向低电平的变化表示起始信号，只有在起始信号以后，其他命令才有效。,（,2,）终止信号（,P,）。,在,SCL,线,为高电平期间，,SDA,线,由低电平向高电平的变化表示终止信号。随着终止信号的出现，所有外部操作都结束。,起始和终止信号都是由主器件发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号出现后，总线就处于空闲状态。起始信号和终止信号如,图,12-7,所示。,图,12-7,若连接到,I,2,C,总线上的器件,具有,I,2,C,总线的硬件接口,，则很容易检测到起始和终止信号。,对于,不具备,I,2,C,总线硬件接口,的有些单片机（如,89C51,），为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线,SDA,取样两次。,（,3,）应答信号（,A,）。,I,2,C,总线在每传送一字节数据后都必须有应答信号，与应答信号线对应的时钟信号由主器件产生。这时发送方必须在这一时钟位上使数据总线处于高电平状态，以便接收方在这一位上送出应答信号，如,图,12-8,所示。,应答信号在第,9,个时钟位上出现，接收方输出低电平为应答信号,A,。,（,4,）非应答信号（,A,*,）。,每传送完一字节数据后，在第,9,个时钟位上接收方输出高电平为应答信号,图,12-8,2,I,2,C,总线上数据字节的传送与应答,数据传送时，,传送的字节数（数据帧）没有限制，,但是每一字节必须是,8,位,长度。,先传送最高位,（,MSB,），每一个被传送的字节后面都,必须跟随,1,位应答位（即一帧共有,9,位），,见,图,12-8,。,接收器件收到一个完整的数据字节后,，有可能需要完成一些其他工作（如从器件正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），不需要立刻接收下一字节，这时接收器件可以将,SCL,线拉成低电平，从而使主器件处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放,SCL,线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。,如果主器件对从器件进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据，从器件可以通过对无法接收的第一个数据字节的,“,非应答,”,通知主器件，主器件则应发出终止信号以结束数据的继续传送。,当主器件接收数据时，它收到从器件发出的最后一个数据字节后，必须向主器件发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从器件的,“,非应答,”,来实现的。然后，从器件释放,SDA,线，以允许主器件产生终止信号。,I,2,C,总线上应答与非应答信号见,图,12-8,。,12.4 AT89C51,单片机扩展,I,2,C,总线器件的接口设计,随着微电子技术的发展，许多公司，如,PHILIPS,、,Motorola,、,ATMEL,和,MAXIM,等，都推出许多带有,I,2,C,总线接口的单片机及各种外围器件,如,:,存储器、,A/D,转换器、,D/A,转换器、,LED,及,LCD,驱动器、日历时钟电路（且带有,256,8,RAM,），如,PHILIPS,公司,的,PCF8553,（和,PCF8570,（,256,8,RAM,）等。,MAXIM,公司,的,MAX127/128,（,A/D,）和,MAX517/518/519,（,D/A,），,ATMEL,公司,的,AT24C,系列存储器等。,I,2,C,总线系统中的主器件通常由单片机来担当，它可以具有,I,2,C,总线接口，也可以不带,I,2,C,总线接口。从器件必须带有,I,2,C,总线接口。对于,89C51,单片机，没有配置,I,2,C,总线接口，这时可以利用通用并行,I/O,口线模拟,I,2,C,总线接口的时序，使,89C51,单片机不受没带,I,2,C,总线接口的限制。,因此，在许多单