基于I2C總線的多通道溫度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)專業(yè)

1、基于 I2C 總線的多通道溫度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)傅煜傅煜目 錄摘摘 要要.IAbstract.II1 緒論緒論.11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及發(fā)展歷程.11.2 I2C 總線及優(yōu)點(diǎn).12 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案.32.1 系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介.32.2 系統(tǒng)總體方案的確定.32.2.1 主控制器方案的選型.32.2.2 I2C 擴(kuò)展芯片的選型.42.2.3 溫度傳感器的選型.42.2.4 LCD 液晶驅(qū)動(dòng)器的選型.52.2.5 A/D 轉(zhuǎn)換器的選型.52.3 總結(jié).53 P89LPC922 單片機(jī)及單片機(jī)及 I2C 接口接口.63.1 P89LPC922 單片機(jī)概述.63.1.1 芯片內(nèi)部框圖.63.3.2

2、 引腳配置.73.4 I/O 口 .73.4.1 I/O 端口配置 .83.4.2 準(zhǔn)雙向口輸出配置.83.4.3 開(kāi)漏輸出配置.83.4.4 僅為輸入配置.83.4.5 推挽輸出配置.93.5 中斷.93.6 I2C 總線接口.93.6.1 概述.93.6.2 I2C 特殊功能寄存器描述.103.6.3 I2C 操作模式.123.7 總結(jié).134 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì).144.1 單片機(jī)控制電路.144.2 LED 顯示模塊.154.3 遠(yuǎn)程傳輸模塊.164.4 電源模塊.184.5 溫度測(cè)量模塊.184.5.1 A/D 轉(zhuǎn)換器 PCF8591.194.5.2 溫度傳感器 AD590.1

3、94.6 總結(jié).205 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).215.1 Main 函數(shù)設(shè)計(jì).215.2 I2C 發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù).225.3 鍵盤(pán)中斷函數(shù).235.4 鍵盤(pán)處理函數(shù).235.5 LED 顯示函數(shù).245.6 A/D 轉(zhuǎn)換函數(shù).245.7 總結(jié).256 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.266.1 課題總結(jié).266.2 課題展望.26致致 謝謝.28參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).29附附 錄錄 元器件清單元器件清單.30附附 錄錄 原理圖原理圖311 基于 I2C 總線的多通道溫度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：針對(duì)遠(yuǎn)距離多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，節(jié)省微處理器的輸入輸出引腳，滿足多器件控制的要求，設(shè)計(jì)一套基于 I2C 總線

4、的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)以帶有 I2C 接口的 LPC900 系列單片機(jī)作為主控 MCU，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理；以 P82B96 驅(qū)動(dòng)器提高 I2C 總線的負(fù)載能力，提高傳輸距離從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；以帶有 I2C 接口的 A/D 轉(zhuǎn)換器 PCF8591 來(lái)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換；以溫度傳感器AD590 來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度；以 LED 驅(qū)動(dòng)器 ZLG7290 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。通過(guò)不斷的調(diào)試和完善實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的溫度測(cè)量，在數(shù)碼管上顯示即時(shí)溫度。 本系統(tǒng)采用 LPC922 單片機(jī)為主控制器，通過(guò) I2C 總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度測(cè)量。本系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：微處理器核心模塊、LED 顯示模塊、鍵盤(pán)模

5、塊、溫度測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸模塊、電源模塊。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，I2C 總線，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集Design and implementation of real time data acquisition system for multi channel temperature based on I2C busAbstract: For long-distance multi-point data collection, to save the input and output pins of the microprocessor, to meet the requirementsthe cont

6、rol of multiple devices, design a set of I2C bus based remote data acquisition system. The system interfaces with LPC900 MCU I2C as a master MCU, to achieve data processing; to P82B96 I2C bus drive to improve load capacity and improve transmission range in order to achieve the remote transmission of

7、 data; to I2C interface with A /D PCF8591 converter to capture data and perform data type conversions; to AD590 temperature sensor to measure ambient temperature; to drive ZLG7290 LED digital display driver data. Debug and improve through continuous multi-point temperature measurement, digital displ

8、ay in real-time temperature. This system uses the LPC922 microcontroller-based controller, through the I2C bus for remote temperature measurements. The system is divided into the following modules: microprocessor core module, LED display module, keyboard module, temperature measurement module, remot

9、e data transmission module, power supply module.KEY WORDS: microcontroller, I2C bus, remote data acquisition231 緒論1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及發(fā)展歷程 數(shù)據(jù)采集是將被測(cè)對(duì)象(外部世界、現(xiàn)場(chǎng))的各種參量(如物理量、化學(xué)量、生物量等)通過(guò)各種傳感元件作適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、放大、濾波、量化、編碼，然后通過(guò)無(wú)線或有線的方式進(jìn)行傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)紀(jì)錄的過(guò)程。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于許多被測(cè)對(duì)象離主控中心距離較遠(yuǎn)或現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不允許數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就近放置，只能用長(zhǎng)線通

10、過(guò)遠(yuǎn)距離傳送給主控制器，這便產(chǎn)生了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。應(yīng)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增加生產(chǎn)效率和節(jié)省人力的重要手段；另外，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的基本條件，只有準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的獲取對(duì)象的運(yùn)行數(shù)據(jù)才能實(shí)施有效的控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。早期的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于 ISA、PCI 總線，采集的數(shù)據(jù)是模擬量，系統(tǒng)龐大，采集后需要將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、調(diào)理通過(guò)長(zhǎng)線傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；在長(zhǎng)線傳輸過(guò)程中信號(hào)的電磁干擾是不可避免的，信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程也存在干擾；基于串口傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸速度慢，而且多為主從式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定性低?；趩纹瑱C(jī)

11、的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用數(shù)字傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)總線的傳輸直接送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，操作方便，無(wú)需信號(hào)轉(zhuǎn)換。1.2 I2C 總線及優(yōu)點(diǎn) I2C（InterIntegrated Circuit）總線是一種由 PHILIPS 公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中，可以有多個(gè) I2C 總線器件同時(shí)連接到 I2C 總線上，所有I2C 兼容的器件都具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，通過(guò)地址來(lái)識(shí)別通信對(duì)象，使他們可以經(jīng)由 I2C 總線互相通信。 I2C 總線很大

12、程度上減輕了系統(tǒng)對(duì) I/O 口需求的壓力，彌補(bǔ)了系統(tǒng)主處理芯片 I/O 口的不足，通過(guò)擴(kuò)展芯片總線的傳輸長(zhǎng)度可高達(dá)1000米，并且能夠以最高以3.4Mbps 的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C 總線是由數(shù)據(jù)線 SDA 和時(shí)鐘線 SCL 構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。在CPU 與被控 IC 之間，IC 和 IC 之間進(jìn)行雙向傳送，各種被控電路均并聯(lián)在這條總線上，每個(gè)電路都有唯一的地址。在信息傳輸過(guò)程中，I2C 總線上并聯(lián)的每一個(gè)模塊電路既是被控器（或是主控器） ，又是發(fā)生器（或是接收器） ，這取決與它所要完成的功能。CPU 發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和數(shù)據(jù)碼兩部分：地址碼用來(lái)選址，及接通需要

13、控制的電路；4數(shù)據(jù)碼是通信的內(nèi)容，這樣各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立。利用 I2C 總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集不但布線方便，傳輸速度快，操作方便，節(jié)省 I/O 資源，多主式的結(jié)構(gòu)更增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 52 系統(tǒng)方案2.1 系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用 LPC900 系列單片機(jī)，通過(guò) I2C 總線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的溫度采集。基于I2C 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊兩大部分構(gòu)成。主控制模塊以LPC900 系列單片機(jī)為核心控制器，集成了鍵盤(pán)操作功能。溫度傳感器 AD590 測(cè)得溫度后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和信號(hào)調(diào)理送入 A/D 轉(zhuǎn)換器 PCF8591 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)由擴(kuò)展芯片

14、 P82B96 擴(kuò)展后的 I2C 總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。顯示模塊利用 I2C 總線可以并聯(lián)多個(gè) I2C 接口器件的特性，使用 ZLG7290 作為 LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)方案如下： LPC922復(fù)位電路晶振電路共陰數(shù)碼管鍵盤(pán)電路P82B96P82B96A/DPCF8591ADS590SDASCLSDASDASCLSCLSCLSDALED驅(qū)動(dòng)器7290SCLSDA段輸出 圖 2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.2 系統(tǒng)總體方案的確定2.2.1 主控制器方案的選型主控制器方案的選型 方案一：常用的 51 單片機(jī) 89C51 89C51 無(wú)硬件 I2C，需用軟件模擬 I2C 時(shí)序，操作繁瑣，調(diào)試麻煩，

15、內(nèi)部資源不充足，且 5V 工作電壓功耗高、速度低，用于該課題無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。 方案二：LPC900 系列單片機(jī) LPC900 系列單片機(jī)具有體積小、有 I2C 引腳、超低的功耗（完全掉電時(shí)電流低至1A，工作電壓低至 2.43.6V） 、6 倍速于 80C51、工業(yè)級(jí)芯片、可靠性高、增強(qiáng)型 I/O口、豐富的片內(nèi)資源和 ICP 在線編程方便快捷等優(yōu)勢(shì)。 用 LPC93X 系列單片機(jī)能滿足要求但資源浪費(fèi)，價(jià)格高，故最終確定選用 LPC922 單片機(jī)。62.2.2 I2C 擴(kuò)展芯片的選型擴(kuò)展芯片的選型 I2C 的傳輸距離有限。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須擴(kuò)展 I2C 通信距離。P82B715 和 P82B96 是Ph

16、ilips 研制的應(yīng)用于遠(yuǎn)距離通信的 I2C 擴(kuò)展器。P82B715 只有 3000pF 的輸出容性負(fù)載，且不可電平轉(zhuǎn)換，而 P82B96 的最大輸出容性負(fù)載高達(dá) 4000pF，支持電平轉(zhuǎn)換，還可以作為通用的準(zhǔn)雙向總線緩沖器。當(dāng)通信速率為 31KHz 可達(dá)到 1000 米。因此在這個(gè)系統(tǒng)里選用 P82B96。2.2.3 溫度傳感器的選型溫度傳感器的選型 方案一：熱電偶傳感器 熱電偶傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的變化。它是利用兩種不同材料的金屬連接在一起，構(gòu)成的具有熱點(diǎn)效應(yīng)原理的一種感溫元件。其優(yōu)點(diǎn)為精確度高、測(cè)溫范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、型號(hào)種類比較多且技術(shù)成熟。目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民

17、用產(chǎn)品中。熱電偶傳感器的種類很多，在選擇時(shí)必須考慮其靈敏度、可靠性、穩(wěn)定性等條件。 方案二：熱電阻傳感器 熱電阻傳感器的原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是：測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定、其中鉑電阻的測(cè)量精度是最高的，被制作成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。從熱電阻的測(cè)溫原理可以知道，被測(cè)溫度的變化是直接通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)變現(xiàn)的。因此，熱電阻的引出線的電阻的變化會(huì)給測(cè)溫帶來(lái)影響。為了消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。 方案三：半導(dǎo)體集成模擬溫度傳感器 半導(dǎo)體 IC 溫度傳感器是利用半導(dǎo)體 PN 結(jié)的電流、電壓與溫度變換關(guān)系來(lái)測(cè)溫的一種感溫元件。這

18、種傳感器輸出線性好、精度高，而且可以把傳感器驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等與溫度傳感器部分集成在同一硅片，體積小，使用方便，應(yīng)用比較廣泛的有AD590 等。IC 溫度傳感器在微型計(jì)算機(jī)控制體系中，通常用于室溫的測(cè)量，以便微型計(jì)算機(jī)對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。 方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開(kāi)始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式、多總線式發(fā)展。數(shù)字溫度傳感器更適合與各種微處理器的 I/O 接口相連接，組成自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)克服課模擬傳感器與微處理器接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器的弊端，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電

19、子測(cè)溫等各種溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)字溫度傳感器中比較有代表性的有 DS18B20 等。 本設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)方便，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確性高，決定選用半導(dǎo)體集成溫度傳感器，由于DS18B20 采用的是單總線技術(shù)，不支持 I2C 總線，所以選用 AD590 模擬溫度傳感器。72.2.4 LCD 液晶驅(qū)動(dòng)器的選型液晶驅(qū)動(dòng)器的選型 方案一：LCD 字符型液晶驅(qū)動(dòng)器PCF2113 是 LCD 字符型液晶驅(qū)動(dòng)器，自身帶有 I2C 接口，I2C 速率是 400khz，工作電壓為 2.5V 到 5V，可驅(qū)動(dòng)兩行、每行 12 個(gè)字符，片內(nèi)可產(chǎn)生 LCD 偏置電壓，功耗很低且本身自帶片內(nèi) RAM，但是外圍引腳多，操作繁瑣。方案二：

20、LED 驅(qū)動(dòng)器 ZLG7290 ZLG7290是一種具有I2C接口的鍵盤(pán)及LED驅(qū)動(dòng)管理器件, 提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制。它能夠直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨(dú)立的LED ), 并可擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓。 本系統(tǒng)利用 I2C 總線接口，直接用數(shù)碼管顯示，所以選用 ZLG7290 可滿足要求。2.2.5 A/D 轉(zhuǎn)換器的選型轉(zhuǎn)換器的選型考慮到選用的 A/D 轉(zhuǎn)換器應(yīng)該有 I2C 總線接口，精度達(dá)到 8 位就可以滿足要求，芯片內(nèi)部應(yīng)該有多個(gè)通道來(lái)配合 I2C 總線進(jìn)行多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，選用 PCF8591 芯片。2.3 總結(jié) 本章節(jié)主要介紹了系統(tǒng)的整體方案，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和

21、設(shè)計(jì)思路，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)器件進(jìn)行選型，為系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)最好準(zhǔn)備。83 P89LPC922 單片機(jī)及 I2C 接口3.1 P89LPC922 單片機(jī)概述P89LPC922 是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC922 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需要 24 個(gè)時(shí)鐘周期，6 倍于標(biāo)準(zhǔn) 80C51 器件。P89LPC92 集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大地減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。LPC922 的運(yùn)算速度很快，當(dāng)操作頻率為 12MHz 時(shí)，除乘法和除法指令外80C51CPU 的指令執(zhí)行時(shí)間為 16733

22、3ns。同一時(shí)鐘頻率下，LPC922 的速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51 器件的 6 倍。只需要較低的時(shí)鐘頻率即可達(dá)到同樣的性能，這樣無(wú)疑降低了功耗EMI；LPC922 的操作電壓范圍為 2.43.6V。I/O 口可承受 5V（可上拉或驅(qū)動(dòng)到 5.5V）的電壓；它有 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每一個(gè)定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為 PWM 輸出；LPC922 有 400kHz 字節(jié)寬度的 I2C 通信端口；可以直接實(shí)現(xiàn) I2C 總線通信；有 8 個(gè)鍵盤(pán)中斷輸入，另加 2 路外部中斷輸入；4 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；低電平復(fù)位，使用片內(nèi)上電復(fù)位時(shí)不需要外接元件。復(fù)位計(jì)數(shù)器和復(fù)位干擾抑制電路可防止虛假和

23、不完全的復(fù)位。另外還提供軟件復(fù)位功能；可配置的片內(nèi)振蕩器及其頻率范圍和 RC 振蕩器選項(xiàng)（通過(guò)用戶可編程 Flash 配置位選擇），選擇 RC 振蕩器時(shí)不需要外接振蕩器件。振蕩器選項(xiàng)支持的頻率范圍為 20KHz12MHz 可選擇 RC 振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)；LPC922 有可編程端口輸出模式，準(zhǔn)雙向口，開(kāi)漏輸出，推挽和僅為輸入功能模;所有口線均有 LED 驅(qū)動(dòng)能力 20mA；LPC922 最少有 15 個(gè) I/O 口，選擇片內(nèi)振蕩和片內(nèi)復(fù)位時(shí)可多達(dá) 18 個(gè) I/O 口。3.1.1 芯片內(nèi)部框圖芯片內(nèi)部框圖LPC922 單片機(jī)的功能框圖如 3-1 所示。9圖 3-1 功能框圖3

24、.3.2 引腳配置引腳配置 P0 口是一個(gè)可由用戶定義輸出類型的 8 位 I/O 口。在上電復(fù)位時(shí)，P0 鎖存器配置為內(nèi)部上拉禁止的僅為輸入模式。P0 口由口配置寄存器設(shè)定為輸出或輸入模式，每一個(gè)管腳均可單獨(dú)設(shè)定。P0 口具有鍵盤(pán)輸入中斷功能。所有管腳都具有施密特觸發(fā)輸入。引腳有 1，20，19，18，17，16，14，13。P1 是一個(gè)可由用戶定義輸出類型的 8 位 I/O 口。在上電復(fù)位時(shí) P1 鎖存器配置為內(nèi)部上拉禁止的僅為輸入模式。P1 口由口配置寄存器設(shè)定為輸出或輸入模式，每一位均可單獨(dú)設(shè)定。P1.2、P1.3 作為輸出時(shí)為開(kāi)漏。P1.5 為僅為輸入模式。所有管腳都具有施密特觸發(fā)輸入

25、。引腳 12，11，10，9，8，4，3，2；其中 4 引腳是 RST 外部復(fù)位輸入(通過(guò) Flash 配置選擇)。作為復(fù)位管腳時(shí)，輸入的低電平會(huì)使芯片復(fù)位，I/O 口和外圍功能進(jìn)入默認(rèn)狀態(tài)，處理器從地址 0 開(kāi)始執(zhí)行。P3 口是一個(gè)可由用戶定義輸出類型的 2 位 I/O 口，在上電復(fù)位時(shí)，P3 鎖存器配置為內(nèi)部上拉禁止的僅為輸入模式。P3 口由口配置寄存器設(shè)定為輸出或輸入模式，每一個(gè)管腳均可單獨(dú)設(shè)定，所有管腳都具有施密特觸發(fā)輸入。 3.4 I/O 口LPC922 有 3 個(gè) I/O 口 P0、P1 和 P3。P0 和 P1 為 8 位 I/O 口而 P3 為 2 位 I/O 口。I/O口的具

26、體數(shù)目取決于所選擇的振蕩和復(fù)位方式，具體如表 3-1。表 3-1 可用的 I/O 口數(shù)目時(shí)鐘源復(fù)位選項(xiàng)I/O 口數(shù)目10無(wú)外部復(fù)位上電時(shí)除外18片內(nèi)振蕩器或看門(mén)狗振蕩器使用外部復(fù)位腳 RST17無(wú)外部復(fù)位上電時(shí)除外17外部時(shí)鐘輸入使用外部復(fù)位腳 RST16無(wú)外部復(fù)位上電時(shí)除外16低/中/高速振蕩器外部晶振或諧振器使用外部復(fù)位腳 RST153.4.1 I/O 端口配置端口配置除了 3 個(gè)口（P1.2、P1.3 和 P1.5）以外，LPC922 其他所有的 I/O 口均可由軟件配置成 4 種輸出類型之一，四種輸出類型分別為：準(zhǔn)雙向口（標(biāo)準(zhǔn) 8051 輸出模式）（PXM1.Y=0，PXM2.Y=0）

27、；推挽（PXM1.Y=0，PXM2.Y=1）；開(kāi)漏輸出（PXM1.Y=1，PXM2.Y=1）；僅為輸入功能（PXM1.Y=1，PXM2.Y=0）。每個(gè)口配置 2 個(gè)控制寄存器控制每個(gè)管腳輸出類型。P1.5(RST)只能作為輸入口，無(wú)法進(jìn)行配置。P1.2(SCL/T0)和 P1.3(SDA/INT0)只能配置為輸入口或開(kāi)漏口。3.4.2 準(zhǔn)雙向口輸出配置準(zhǔn)雙向口輸出配置準(zhǔn)雙向口輸出類型可用作輸出和輸入功能而不需重新配置口線輸出狀態(tài)。這是因?yàn)楫?dāng)口線輸出為 1 時(shí)驅(qū)動(dòng)能力很弱，允許外部裝置將其拉低。當(dāng)管腳輸出為低時(shí)，它的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，可吸收相當(dāng)大的電流。準(zhǔn)雙向口除了有三個(gè)上拉晶體管適應(yīng)不同的需要外，

28、其特性和開(kāi)漏輸出有些相似。LPC922 為 3V 器件，但管腳可承受 5V 電壓。在準(zhǔn)雙向口模式中如果用戶在管腳加上 5V 電壓將會(huì)有電流從管腳流向 VDD。這將導(dǎo)致額外的功率消耗，因此建議不要在準(zhǔn)雙向口模式中向管腳施加 5V 電壓。準(zhǔn)雙向口帶有一個(gè)施密特觸發(fā)輸入以及一個(gè)干擾抑制電路。3.4.3 開(kāi)漏輸出配置開(kāi)漏輸出配置當(dāng)口線鎖存器為0時(shí)，開(kāi)漏輸出關(guān)閉所有的上拉晶體管而僅驅(qū)動(dòng)端口的下拉晶體管。作為一個(gè)邏輯輸出時(shí)這種配置方式必須有外部上拉，一般通過(guò)電阻外接到 VDD。開(kāi)漏端口帶有一個(gè)施密特觸發(fā)輸入以及一個(gè)干擾抑制電路。3.4.4 僅為輸入配置僅為輸入配置該配置無(wú)輸出驅(qū)動(dòng)器，它帶有一個(gè)施密特觸發(fā)輸

29、入口以及一個(gè)干擾抑制電路。3.4.5 推挽輸出配置推挽輸出配置推挽輸出配置的下拉結(jié)構(gòu)和開(kāi)漏輸出以及準(zhǔn)雙向口的下拉結(jié)構(gòu)相同，但當(dāng)鎖存器為1時(shí)提供持續(xù)的強(qiáng)上拉。推挽模式一般用于需要更大驅(qū)動(dòng)電流的情況。11推挽管腳帶有一個(gè)施密特觸發(fā)輸入以及一個(gè)干擾抑制電路。3.5 中斷LPC922 采用 4 中斷優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)。這為 P89LPC922 的多中斷源的處理提供了極大的靈活性。LPC922 支持 12 個(gè)中斷源：外部中斷 0 和 1、定時(shí)器 0 和 1、串口 Tx、串口 Rx、組合的串口 Tx/Rx、掉電檢測(cè)、看門(mén)狗/實(shí)時(shí)時(shí)鐘、I2C、鍵盤(pán)中斷和比較器 1 和 2。任何一個(gè)中斷源均可通過(guò)對(duì) IEN0 和 I

30、EN1 中相應(yīng)的位置位或清零，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)使能或禁止。IEN0 中還包含了一個(gè)全局禁止位 EA，它可禁止所有中斷。每個(gè)中斷源都可被單獨(dú)設(shè)置為四個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)之一，分別通過(guò)清零或置位IP0、IP0H、IP1、IP1H 中相應(yīng)位來(lái)實(shí)現(xiàn)（00最低優(yōu)先級(jí)，11最高優(yōu)先級(jí)）。一個(gè)中斷服務(wù)程序可響應(yīng)更高級(jí)的中斷，但不能響應(yīng)同優(yōu)先級(jí)或低級(jí)中斷。最高級(jí)中斷服務(wù)程序不響應(yīng)其它任何中斷。如果兩個(gè)不同中斷優(yōu)先級(jí)的中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷時(shí)，響應(yīng)較高優(yōu)先級(jí)的中斷申請(qǐng)。如果兩個(gè)同優(yōu)先級(jí)的中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷，那么通過(guò)一個(gè)內(nèi)部查詢順序序列確定首先響應(yīng)哪一個(gè)中斷請(qǐng)求，這叫做仲裁隊(duì)列。3.6 I2C 總線接口3.6.1 概述概述I2C（全

31、稱：inter integrated chips）是一種串行通信協(xié)議，專利權(quán)歸屬于 Philips 公司。I2C 有三種速度模式：標(biāo)準(zhǔn)模式（0100kbps）、快速模式（0400kbps）、高速模式（03.4Mbps）。有嚴(yán)格的規(guī)范，如接口的電氣特性、信號(hào)時(shí)序、信號(hào)傳輸?shù)亩x、總線狀態(tài)設(shè)置、總線管理規(guī)則及總線狀態(tài)處理等。LPC922 器件提供字節(jié)方式的 I2C 接口所支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 400kHz。I2C 總線用兩條線 SDA 和 SCL 在總線和器件之間傳遞信息。I2C 總線的傳輸模式是主機(jī)和從機(jī)之間為雙向數(shù)據(jù)傳送，這樣主機(jī)和從機(jī)之間可以相互訪問(wèn)；I2C 總線也是多主機(jī)總線，它不存在

32、中央主機(jī)；在總線上的器件都可以當(dāng)做主機(jī)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)；多主機(jī)同時(shí)傳送時(shí)進(jìn)行仲裁來(lái)避免總線上數(shù)據(jù)沖突；而且串行時(shí)鐘同步使得不同位速率的器件可以通過(guò)一條串行總線進(jìn)行通信；典型的 I2C 總線配置如圖 3-2 所示。12VCCRpRpLPC922SDASCLSCLA/D轉(zhuǎn)換SDASCLLED驅(qū)動(dòng)SDASCLI2C總線 圖 3-2 I2C 總線配置3.6.2 I2C 特殊功能寄存器描述特殊功能寄存器描述I2DAT 包含要發(fā)送的數(shù)據(jù)或剛接收的數(shù)據(jù)。當(dāng) 8 位直接尋址寄存器沒(méi)有處理移位數(shù)據(jù)時(shí)，CPU 可對(duì)其進(jìn)行讀和寫(xiě)。這意味著用戶只能在 SI 置位時(shí)對(duì) I2DAT 進(jìn)行訪問(wèn)。I2DAT 中的數(shù)據(jù)在 SI 置位

33、時(shí)一直保持不變。I2DAT 中的數(shù)據(jù)總是從右向左移位。寄存器各位如圖 3-3。I2DAT.7I2DAT.1I2DAT.2I2DAT.3I2DAT.4I2DAT.5I2DAT.6I2DAT.0不可位尋址復(fù)位源：任何復(fù)位復(fù)位值：00000000BI2DAT 地址： DAH 7 6 5 4 3 2 1 0圖 3-3 I2C 數(shù)據(jù)寄存器CPU 可以對(duì) I2ADR 寄存器進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。該寄存器僅在 I2C 處于從模式下才使用。在主模式中該寄存器的內(nèi)容無(wú)效。I2ADR 的最低位(LSB)為通用調(diào)用位。當(dāng)該位置位時(shí)對(duì)通用調(diào)用地址(00H)進(jìn)行識(shí)別。寄存器各位功能如圖 3-4。I2ADR.1I2ADR.2I

34、2ADR.3I2ADR.4I2ADR.5I2ADR.6GC不可位尋址復(fù)位源：任何復(fù)位復(fù)位值：00000000BI2ADR 地址： DBH 7 6 5 4 3 2 1 0I2ADR.7位 符號(hào) 功能I2ADR.71 I2ADR.60 七位自身從地址。當(dāng)處于主模式時(shí)，改寄存器內(nèi)容無(wú)效。I2ADR.0 GC 通用調(diào)用位。置位時(shí)，對(duì)通用調(diào)用地址進(jìn)行識(shí)別，否則忽略。圖 3-4 I2C 從地址寄存器CPU 對(duì) I2CON 寄存器進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，?jiàn)圖 3-5。其中兩個(gè)位受硬件影響：SI 和STO 位。SI 由硬件置位而 STO 位由硬件清零。當(dāng) I2C 處于主模式時(shí)，CRSEL 決定 SCL 的頻率，在從模

35、式中，該位被忽略并自動(dòng)與主 I2C 器件的時(shí)鐘頻率（最大 400KHz）同步。當(dāng) CRSEL=1 時(shí)，I2C 接口將定時(shí)器 1 的溢13出速率的 1/2 作為 I2C 的實(shí)鐘頻率。定時(shí)器 1 在 8 位自動(dòng)重裝模式（模式 2）中由用戶編程。-AASISTOSTAI2ENCRSEL可位尋址復(fù)位源：任何復(fù)位復(fù)位值：x00000 x0BI2CON 地址： D8H 7 6 5 4 3 2 1 0位 符號(hào) 功能I2CON.7 - 保留將來(lái)之用。用戶不要將其置1。I2CON.6 I2EN I2C接口使能。該位為0時(shí)，I2C功能被禁止。P1.3/SDA和P1.2/SCL可作為通用 I/O 口。該位置位時(shí)，使

36、能I2C接口。I2CON.5 STA 起始標(biāo)志。STA=1: I2C進(jìn)入主模式，檢測(cè)I2C總線當(dāng)總線空閑時(shí)產(chǎn)生一個(gè)起始條 件。也能產(chǎn)生重復(fù)起始條件。STA=0：不會(huì)產(chǎn)生起始或重復(fù)起始條件。 I2CON.4 STO 停止標(biāo)志。STO=1：在主模式中，向 I2C發(fā)送一個(gè)停止條件。在從模式中，可以從 錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)。停止標(biāo)志由硬件自動(dòng)清零。I2CON.3 SI I2C中斷標(biāo)志。當(dāng)進(jìn)入25種可能的I2C狀態(tài)中的任意一個(gè)，該位置位。當(dāng)EA、EI2C 以及SI置位時(shí)產(chǎn)生中斷。該位通過(guò)軟件清零。I2CON.2 AA 聲明應(yīng)答標(biāo)志位。I2CON.1 - 保留將來(lái)之用。用戶不要將其置1。I2CON.0 CRSE

37、L SCL時(shí)鐘選擇。CRSEL=1：定時(shí)器1溢出產(chǎn)生SCL；CRSEL=0：使用內(nèi)部SCL發(fā)生 器。-圖 3-5 I2C 控制寄存器I2STAT 寄存器是個(gè) 8 位只讀寄存器。見(jiàn)圖 3-6。它包含了 I2C 接口的狀態(tài)代碼。最低 3 位總是為 0。I2C 一共有 26 種可能的狀態(tài)。當(dāng)代碼為 F8 時(shí)表示無(wú)可用的相關(guān)狀態(tài)信息，SI 也不會(huì)置位。所以其他 25 種狀態(tài)碼都對(duì)應(yīng)一個(gè)已定義的 I2C 狀態(tài)。進(jìn)入任何一個(gè)狀態(tài)時(shí)，SI 都會(huì)置位。00STA.0STA.1STA.2STA.30不可位尋址復(fù)位源：任何復(fù)位復(fù)位值：11111000BI2STAT 地址： D9H 7 6 5 4 3 2 1 0S

38、TA.4位 符號(hào) 功能STA.73 STA.40 I2C的狀態(tài)代碼。STA.20 - 這3位未用并設(shè)置為0。 圖 3-6 I2C 狀態(tài)寄存器當(dāng)設(shè)置 CRSEL=0 以選擇內(nèi)部 SCL 發(fā)生器作為 I2C 接口的時(shí)鐘源時(shí)，用戶必須對(duì)I2SCLH 和 I2SCLL 進(jìn)行設(shè)置以選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸速率。I2SCLH 定義 SCL 高電平的PCLK 周期數(shù)，I2SCLL 定義 SCL 低電平的 PCLK 周期數(shù)。頻率由下面的公式?jīng)Q定： （3-1）)SCLL2ISCLH2I (2Fpclk位速率式中：Fpclk表示 PCLK 的頻率。用戶可以通過(guò)設(shè)置這兩個(gè)寄存器得到不同的 SCL 占空比。但寄存器的值必須

39、確保 I2C 數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為 0400kHz。因此對(duì) I2SCLH 和I2SCLL 的值有一些限制，建議兩個(gè)寄存器的取值都應(yīng)大于 3 個(gè) PCLK 周期。3.6.3 I2C 操作模式操作模式14I2C 操作模式有：主發(fā)送器模式、主接收器模式、從接收器模式和從發(fā)送器模式。在這里介紹主發(fā)送器模式。在該模式中，數(shù)據(jù)從主機(jī)發(fā)送到從機(jī)。在進(jìn)入主發(fā)送器模式之前，I2CON 必須將I2EN 置位使能 I2C 功能，STA、STO 和 SI 必須設(shè)置為 0，CRSEL 定義串行位速率。如果AA 位為 0，而另一個(gè)器件成為總線的控制器時(shí)，I2C 將不會(huì)對(duì)它自身的從地址或通用調(diào)用地址產(chǎn)生應(yīng)答。換句話說(shuō)，如果

40、AA 復(fù)位，I2C 不能進(jìn)入從模式。第一個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包含接收器件的從地址（7 位）和數(shù)據(jù)方向位。在此模式下，數(shù)據(jù)方向位（R/W）為 0 表示執(zhí)行寫(xiě)操作。因此第一個(gè)發(fā)送的字節(jié)為 SLA+W。數(shù)據(jù)每次發(fā)送8 位。每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，都接收到一個(gè)應(yīng)答位。起始和停止條件用于指示串行傳輸?shù)钠鹗己徒Y(jié)束。通過(guò)置位 STA 進(jìn)入 I2C 主發(fā)送模式。I2C 邏輯在總線空閑后立即發(fā)送一個(gè)起始條件。當(dāng)發(fā)送完起始條件后，SI 置位。此時(shí)狀態(tài)寄存器（I2STAT）中的狀態(tài)代碼應(yīng)當(dāng)為 08H。該狀態(tài)碼用于指向一個(gè)中斷服務(wù)程序。該中斷程序?qū)牡刂泛蛿?shù)據(jù)方向位（SLA+W）裝入 I2DAT。SI 位必須在數(shù)據(jù)傳輸能夠進(jìn)行之前清

41、零。當(dāng)從地址和方向位已經(jīng)發(fā)送且接收到應(yīng)答位之后，SI 位再次置位，并且對(duì)于主模式，可能的狀態(tài)代碼為 18H、20H 或 38H。圖 3-7 為主發(fā)送器模式和從接收器模式的發(fā)送格式。圖 3-7 主發(fā)生器和主接收器模式格式在圖中，各種符號(hào)的意義為：S：開(kāi)始位（START）；SLA：從機(jī)地址（Slave Address），7 位從機(jī)地址；W：寫(xiě)標(biāo)志位（Write），1 位寫(xiě)標(biāo)志；R：讀標(biāo)志位（Read），1 位讀標(biāo)志；A：應(yīng)答位（Acknowledge），1 位應(yīng)答；：非應(yīng)答位（Not Acknowledge），1 位非應(yīng)答；AD：數(shù)據(jù)位（DATA），每個(gè)數(shù)據(jù)都必須是 8 位；P：停止位（STOP）

42、；陰影：主機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)；15無(wú)陰影：從機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)。每個(gè)狀態(tài)代碼對(duì)應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作見(jiàn)表 3-1。表 3-1 主發(fā)送器模式寫(xiě) I2CON狀態(tài)代碼I2STATI2C 總線硬件狀態(tài)STASTOSIAA硬件執(zhí)行的下一個(gè)動(dòng)作08H已經(jīng)發(fā)送起始條件x00 x將發(fā)送 SLA+W，接收 ACK位18H已經(jīng)發(fā)送 SLA+W；已經(jīng)接收到 ACK20H已經(jīng)發(fā)送 SLA+W；已經(jīng)接收到非 ACK28H已經(jīng)發(fā)送 I2DAT 中的數(shù)據(jù)字節(jié)；已接收 ACK30H已經(jīng)發(fā)送 I2DAT 中的數(shù)據(jù)字節(jié)；已接收非 ACK010100110000 xxxx將發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，接收 ACK位將發(fā)送重復(fù)起始條件將發(fā)送停止條件；STO 標(biāo)志將復(fù)位

43、將發(fā)送停止條件，然后發(fā)送起始條件；STO 標(biāo)志將復(fù)位38H在 SCL+R/W 或數(shù)據(jù)字節(jié)中丟失仲裁010000 xxI2C 總線被釋放；進(jìn)入不可尋址從模式，當(dāng)總線為空閑時(shí)發(fā)送起始條件3.7 總結(jié) 本章節(jié)主要介紹了核心 MCU LPC922 單片機(jī)的特性以及片內(nèi)資源，還有對(duì)其內(nèi)部的I2C總線接口相關(guān)的寄存器如何配置來(lái)確保I2C總線的通信。164 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)控制電路本設(shè)計(jì)中采用 Philips LPC922 單片機(jī)作為主控器，配以外部 RC 復(fù)位電路和晶振電路構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。晶體振蕩電路在微控制器系統(tǒng)中非常重要，它決定了整個(gè)微控制器系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作。P89LPC922 提供幾個(gè)可

44、由用戶選擇的振蕩器選項(xiàng)。這樣就滿足了從高精度到低成本的不同需求。這些選項(xiàng)在對(duì) Flash 進(jìn)行編程時(shí)配置，包括片內(nèi)看門(mén)狗振蕩器、片內(nèi) RC 振蕩器、使用外部晶振的振蕩器或外部時(shí)鐘源。晶振可選擇低、中或高頻晶振，頻率范圍為 20KHz 到 12MHz。本系統(tǒng)中選用 6MHz 的晶振，可以保證精度達(dá)到系統(tǒng)要求。P1.5/RST 管腳可作為低有效復(fù)位輸入或數(shù)字輸入口。當(dāng) UCFG1 寄存器中的位RPE(復(fù)位管腳使能)置位時(shí)，使能外部復(fù)位輸入功能。當(dāng)清零時(shí)，復(fù)位腳可作為一個(gè)輸入管腳。每一個(gè)復(fù)位源在復(fù)位寄存器 RSTSRC 中都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的標(biāo)志。用戶可讀取該寄存器以判斷最近的復(fù)位源是哪一個(gè)。這些標(biāo)志位可

45、通過(guò)軟件寫(xiě)入0清零。P0.0P0.4 鍵盤(pán)中斷口連接 5 個(gè)按鍵，用來(lái)控制的數(shù)據(jù)的傳輸和采集。 單片機(jī)的外圍電路如下所示： R12330LED5S1R11330R13330R9330R10330S5S4S3S2LED1LED2LED3LED4P00P01P02P03P04V CC3.3 圖 4-1 單片機(jī)鍵盤(pán)電路17CMP2/P0.0/KBI01P1.72P1.63P1.5/REST4V SS5X TAL1/P3.16X TAL2/P3.0/CLKOUT7P1.48P1.39P1.210P0.6/CM P114RX D/P1.111TX D/P1.012T1/P0.713V DD15CMPre

46、f /P0.5/KBI516CIN 1A /P0.4/KBI417CIN 1B/P0.3/K BI318CIN 2A /P0.2/KBI219CIN 2B/P0.1/K BI120P89LPC922C122pC222pR110KS1Y16MC34.7uFSDASCLP00P01P02P03P04V CC3.3V CC3.3圖 4-2 單片機(jī)復(fù)位及鍵盤(pán)電路4.2 LED 顯示模塊數(shù)字 LED 顯示屏由顯示數(shù)字 0 9 的數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的芯片 ZLG7290 兩大部分組成,。ZLG7290 外圍電路包括晶振電路、復(fù)位電路和 I2C 接口電路。數(shù)碼管是 4 位聯(lián)體式數(shù)碼管。ZLG7290 是帶有

47、 I2C 接口鍵盤(pán)管理和顯示驅(qū)動(dòng)的芯片，加入鍵盤(pán)管理可以實(shí)現(xiàn)儀器儀表的人機(jī)對(duì)話。在圖 4-3 中, U 是 LED 驅(qū)動(dòng)管理器件 ZLG7290。圖中 SegA SegDP 對(duì)應(yīng)連接數(shù)碼管的 8 個(gè)“段”( a dp), DIG0 DIG7 分別連接各數(shù)碼管的“位”(每個(gè)數(shù)碼管的公共端, 這里只有 4 位數(shù)碼管, 故只用了 DIG0 DIG3)。按照 I2C 總線協(xié)議的要求, 信號(hào)線 SCL 和 SDA 上必須要分別加上拉電阻 R2、R3, 其阻值是 10k，接電源 3.3V。ZLG7290 需要一外接晶體振蕩電路供系統(tǒng)工作, 晶振通常取值8MH z, 調(diào)節(jié)電容 C1 和 C2 通常取值在 3

48、0pF 左右。復(fù)位信號(hào)是低電平有效, 一般只需外接簡(jiǎn)單的 RC 復(fù)位電路, 也可以通過(guò)直接拉低 RST 引腳的方法進(jìn)行復(fù)位。因?yàn)樾酒芍苯域?qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管顯示, 電流較大, 且為動(dòng)態(tài)掃描方式, 為盡量消除電源噪聲干擾, 提高電路抗干擾能力, 應(yīng)用時(shí)可在電源 VCC 的正負(fù)極間并入一個(gè) 100uF 的電容。VCC 選用+ 3. 3V。數(shù)碼管必須是共陰式的, 不能直接使用共陽(yáng)式的, 這里采用 4 位聯(lián)體式數(shù)碼管。數(shù)碼管在工作時(shí)要消耗較大的電流, RP2 是限流電阻, 阻值是 220 歐姆。如果要增大數(shù)碼管的亮度, 可以適當(dāng)減小電阻值。18 SegA23SegB24 SegC1SegD2SegE

49、7SegF8SegG9SegDP10SCL19SDA20X218X117RST15GND11V cc16DIG713DIG612DIG5 21DIG422DIG33DIG24DIG15DIG06UZ LG7290C130pC230pR110KY18MC44.7uFV CC3.3abfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpcom16com28com39com412a11b7c4d2e1f10g5dp3DPY112345678161514131211109RP2220SegASegASegBSegBSegCSegCSegDSegDSegESegESegFSegFSegG

50、SegGSegDPSegDPDIG0DIG1DIG2DIG3DIG3DIG2DIG1DIG0V CC3.3C30.1uR210K R310KV CC3.3SCLSDA 圖 4-3 LED 顯示電路電路4.3 遠(yuǎn)程傳輸模塊 在使用I2C器件的過(guò)程中，I2C總線在應(yīng)用中常受到限制，例如：信號(hào)傳輸距離有限，常用于一個(gè)PCB板；總線上掛接的節(jié)點(diǎn)器件有限，受容性負(fù)載最大值400pF的限制；掛接多個(gè)器件時(shí)速度只能取最低值，高速I(mǎi)2C器件速度發(fā)揮不出來(lái)等。I2C總線擴(kuò)展器P82B96的開(kāi)發(fā)擴(kuò)展了總線容量，從400pF擴(kuò)展到4000pF，增加了總線可支持器件的數(shù)目。而且擴(kuò)展了通訊距離，利用線纜在I2C總線的速

51、率為31KHz時(shí)傳輸距離可長(zhǎng)達(dá)1000米。 P82B96是一款雙極性I2C擴(kuò)展芯片，在保持I2C系統(tǒng)的工作模式和特性不變的情況下，通過(guò)緩沖SDA和SCL總線上的數(shù)據(jù)來(lái)擴(kuò)展通信距離，同時(shí)I2C擴(kuò)展器P82B96提供了一種在標(biāo)準(zhǔn)I2C總線和其他總線配置間的無(wú)鎖存、雙向性的邏輯接口，它可以把I2C總線連接到215V的邏輯器件上，且不受I2C總線協(xié)議的限制和時(shí)鐘速率的限制。能增加I2C總線的傳輸距離和節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載數(shù)目。I2C擴(kuò)展器P82B96徹底地解決了I2C總線在遠(yuǎn)距離傳輸?shù)牟蛔恪?管腳描述如表 4-1。19表 4-1 P82B96 管腳描述符號(hào)管腳描述Sx1I2C 總線(SDA 或 SCL)Rx2

52、接收信號(hào)Tx3發(fā)送信號(hào)GND4地Ty5發(fā)送信號(hào)Ry6接收信號(hào)Sy7I2C 總線（SDA 或 SCL）VCC8電源作用為增加 I2C 通信距離時(shí)，兩個(gè) P82B96 必須匹配使用。電路設(shè)計(jì)時(shí)必須加上拉電阻，P82B96 的具體連接方法如圖 4-4 所示。 3.3V5V3.3V5V5VSDASCL1 Sx 7 Sy Rx 2Tx 3 Ty 5 Ry 6 8Vcc GND 4 P82B965V5V3.3V5V5VSDASCLSx 1 Sy 7 2 Rx 3 Tx 5 Ty 6 Ry 8Vcc GND 4P82B96長(zhǎng)線纜主機(jī)端遠(yuǎn)程控制端 圖 4-4 P82B96 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離 I2C 通信在系統(tǒng)中的應(yīng)

53、用如下圖所示： R710KR610KR8330R5330SCLSDASDAXSCLYV CC5V CC5V CC5Sx1Rx2T x3GND4T y5Ry6Sy7V CC8U2P82B96T PV CC3.3V CC3.3圖 4-5 I2C 通信擴(kuò)展電路204.4 電源模塊本系統(tǒng)電源用到 3.3V、5V 兩種電源。LPC922 單片機(jī)供電需要 3.3V,ZLG9270 的工作電壓也用到 3.3V,為了降低延時(shí)，為 P82B96 提供 3.3V、5V 兩種電源。PCF8591 和AD590 都采用 5V 供電即可。利用電池供電引出 5V 電壓，經(jīng) SPX3819 后輸出 3.3V 提供單片機(jī)的工

54、作電壓。電路簡(jiǎn)單，只需在輸入輸出端分別接上 10F 濾波電容，電路設(shè)計(jì)如圖 4-6。Error! Reference source not found.V in1V out5GND2EN3Byp4U3SPX 3819C1110uF/16VC1010uF/16VV CC3.3J1V CC5圖 4-6 電源轉(zhuǎn)換電路SPX3819 是一個(gè)具有低壓差電壓和低噪聲輸出電壓調(diào)節(jié)器。它有一個(gè)小于 1以下的初始誤差和邏輯兼容的 ON / OFF 切換輸入。禁用時(shí)，電力消耗下降到幾乎為零。其他主要功能包括電池反向保護(hù)，限流和熱關(guān)機(jī)。它具有非常低的輸出溫度系數(shù)，輸出設(shè)備需要一個(gè)很穩(wěn)定的電容。4.5 溫度測(cè)量模塊

55、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的在于采集現(xiàn)實(shí)環(huán)境的溫度信息，所以需要利用單片機(jī)采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，溫度傳感器使用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的 AD590,采集的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)放大和信號(hào)調(diào)理，再傳送到 A/D 轉(zhuǎn)換器 PCF8951，即把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后通過(guò)I2C 總線傳輸給處理中心。4.5.1 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 PCF8591PCF8591 是一款單電源、低功耗 8 位 COMS 型 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換芯片，它具有 4 路模擬量輸入通道、一路模擬量輸出通道和 1 個(gè) I2C 總線接口。該器件 I2C 從地址的低三位由芯片的 A0、A1 和 A2 三個(gè)地址引腳決定，所以在不增加任何硬件的情況下同一條

56、 I2C 總線最多可以連接 8 個(gè)同類型的器件。該器件具有多路模擬量輸入、片上跟蹤保持、8 位A/D 轉(zhuǎn)換和 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換等功能。A/D 與 D/A 的最大轉(zhuǎn)換速率由 I2C 總線的最大傳輸速率決定。 PCF8591 采用的是單電源供電，正常工作電源電壓范圍為 2.5V6V；重要的是通過(guò)I2C 總線完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出，采樣頻率是由 I2C 總線傳輸速率決定的。PCF8591 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)需要外接一參考電壓。21 PCF8591 采用典型的 I2C 總線接口器件尋址方法，即總線地址由器件地址、引腳地址和方向位組成。飛利蒲公司規(guī)定 A/D 器件地址為 1001。引腳地址為AAA012，

57、其值由用戶選擇，因此 I2C 系統(tǒng)中最多可接23=8 個(gè)具有 I2C 總線接口的 A/D 器件。地址的最后一位為方向位WR/，當(dāng)主控器對(duì) A/D 器件進(jìn)行讀操作時(shí)為 1，進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)為 0。總線操作時(shí)，由器件地址、引腳地址和方向位組成的從地址為主控器發(fā)送的第一字節(jié)。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)，首先是主控器發(fā)出起始信號(hào)，然后發(fā)出讀尋址字節(jié)，被控器做出應(yīng)答后，主控器從被控器讀出第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答，主控器從被控器讀出第二個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答一直到主控器從被控器中讀出第 n 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出非應(yīng)答信號(hào)，最后主控器發(fā)出停止信號(hào)。4.5.2 溫度傳感器溫度傳感器 AD590 集成溫度傳感器

58、實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值Vbe與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： lnIbeqKITV ( 4 1) 式中：K波爾茲常數(shù)； q電子電荷絕對(duì)值。 AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即： KmArTI1 ( 4 2) 式中：Ir流過(guò)器件（AD590）的電流，單位為mA； T熱力學(xué)溫度，單位為K。 AD590的測(cè)溫范圍為-55+150,電源電壓范圍為4V30V。其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273）為基準(zhǔn),每增加1,它會(huì)增加1A輸出電流。AD

59、590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。AD590精度很高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。 溫度測(cè)量電路如下：22AIN01AIN12AIN23AIN34A05A16A27V SS8SDA9SCL10OSC11EX T12AGND13V REF14AOUT15V DD16U4PCF8591SDASCLR3D1Z ENER3V DD1V SS3V out2U1AD590R11.2KR210KR6100KR410KR510KR7100KR810K567U2BLM324321411U2ALM324V CC5V CC5V CC5V CC5R910KD1圖

60、4-7 溫度測(cè)量電路圖AD590 的輸出電流 I=（273+T）A（T 為攝氏溫度） ，因此測(cè)量的電壓 V 為（273+T）A10K=（2.73+T/100）V。為了將電壓測(cè)量出來(lái)又務(wù)須使輸出電流 I 分流，我們使用 LM324 作為電壓跟隨器輸出電壓等于輸入電壓 V；由于電源供應(yīng)多器件之后，是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓管，得到 3V 的穩(wěn)壓電源，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓 V1 需調(diào)整至 2.73V；接下來(lái)我們使用 LM324 作為差動(dòng)放大器使得輸出 Vo 為（100K/10K）（V2-V1）=T/10，即假如現(xiàn)在溫度為攝氏 28，輸出電壓 Vo 則為 2.8V，輸出電壓接