單片機(jī)原理及接口技術(shù)第10章-串行擴(kuò)展技術(shù)課件

第10章單片機(jī)系統(tǒng)的串行

擴(kuò)展技術(shù)1內(nèi)容概要單片機(jī)系統(tǒng)除并行擴(kuò)展外，串行擴(kuò)展技術(shù)也已得到廣泛應(yīng)用。與并行擴(kuò)展相比，串行接口器件與單片機(jī)相連需要的I/O口線很少（僅需1～4條），極大地簡化了器件間的連接，進(jìn)而提高了可靠性；串行接口器件體積小，占用電路板的空間小，減少了電路板空間和成本。常見的串行擴(kuò)展總線接口有單總線（1-Wire）、SPI串行外設(shè)接口以及I2C（InterInterfaceCircuit）串行總線接口，本章介紹這幾種串行擴(kuò)展接口總線的工作原理及特點(diǎn)以及如何進(jìn)行系統(tǒng)串行擴(kuò)展的典型設(shè)計(jì)。

210.1單總線串行擴(kuò)展單總線也稱1-Wirebus，由美國DALLAS公司推出的外圍串行擴(kuò)展總線。它只有一條數(shù)據(jù)輸入/輸出線DQ，總線上的所有器件都掛在DQ上，電源也通過這條信號(hào)線供給，這種只使用一條信號(hào)線的串行擴(kuò)展技術(shù)，稱為單總線技術(shù)。單總線系統(tǒng)中配置的各種器件，由DALLAS公司提供的專用芯片實(shí)現(xiàn)。每個(gè)芯片都有64位ROM，廠家對(duì)每一芯片都用激光燒寫編碼，其中存有16位十進(jìn)制編碼序列號(hào)，它是器件的地址編號(hào)，確保它掛在總線上后，可唯一地被確定。除了器件的地址編碼外，芯片內(nèi)還包含收發(fā)控制和電源存儲(chǔ)電路，如圖10-1所示。這些芯片的耗電量都很小（空閑時(shí)幾μW，工作時(shí)幾mW），工作時(shí)從總線上饋送電能到大電容中就可以工作，故一般不需另加電源。34圖10-1

單總線芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖10.1.1單總線系統(tǒng)的典型應(yīng)用-DS18B20的溫度測(cè)量系統(tǒng)單總線應(yīng)用典型案例是采用單總線溫度傳感器DS18B20的溫度測(cè)量系統(tǒng)。1.單總線溫度傳感器DS18B20簡介美國DALLAS公司推出的單總線接口的數(shù)字溫度傳感器，溫度測(cè)量范圍為?55～+128℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)±0.5℃。DS18B20體積小、功耗低，現(xiàn)場溫度的測(cè)量直接通過“單總線”以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。非常適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測(cè)量，也可用于各種狹小空間內(nèi)設(shè)備的測(cè)溫，如環(huán)境控制、過程監(jiān)測(cè)、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品以及多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)等。由于DS18B20可直接將溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)處理，因而可省去傳統(tǒng)的信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路。5圖10-2所示為單片機(jī)與多個(gè)帶有單總線接口的數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片的分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，圖中多個(gè)DS18B20都掛在單片機(jī)的1根I/O口線（即DQ線）上。單片機(jī)對(duì)每個(gè)DS18B20通過總線DQ尋址。DQ為漏極開路，須加上拉電阻。DS18B20的一種封裝形式如圖10-2所示。除DS18B20外，在該數(shù)字溫度傳感器系列中還有DS1820、DS18S20、DS1822等其他型號(hào)產(chǎn)品，工作原理與特性基本相同。圖10-2

單總線構(gòu)成的分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)片內(nèi)有9個(gè)字節(jié)的高速暫存器RAM單元，9個(gè)字節(jié)的具體內(nèi)容如下：8第1字節(jié)和第2字節(jié)是在單片機(jī)發(fā)給DS18B20溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值，以兩字節(jié)補(bǔ)碼形式存放其中。一般情況下，用戶多使用第1字節(jié)和第2字節(jié)。單片機(jī)通過單總線可讀得該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后。第3、4字節(jié)分別是由軟件寫入用戶報(bào)警的上下限值TH和TL。第5字節(jié)為配置寄存器，可對(duì)其更改DS18B20的測(cè)溫分辨率，高速暫存器的第6、7、8字節(jié)未用，為全1。第9字節(jié)是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC碼，用來保證正確通信。片內(nèi)還有1個(gè)E2PROM為TH、TL以及配置寄存器的映像。配置寄存器（第5字節(jié)）各位的定義如下：9其中，最高位TM出廠時(shí)已被寫入0，用戶不能改變；低5位都為1；R1和R0用來設(shè)置分辨率。表10-1列出了R1、R0與分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間的關(guān)系。用戶可通過修改R1、R0位的編碼，獲得合適的分辨率。由表10-1可看出，DS18B20的轉(zhuǎn)換時(shí)間與分辨率有關(guān)。當(dāng)設(shè)定分辨率為9位時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms；……；當(dāng)設(shè)定分辨率為12位時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms。

表10-2列出了DS18B20溫度轉(zhuǎn)換后所得到的16位轉(zhuǎn)換結(jié)果的典型值。10下面介紹溫度轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法。當(dāng)DS18B20采集的溫度為+125℃時(shí)，輸出為07D0H，則：實(shí)際溫度=(07D0H)/16=(0×163+7×162+13×161+0×160)/16=125℃當(dāng)DS18B20采集的溫度為-55℃時(shí)，輸出為FC90H，由于是補(bǔ)碼，則先將11位數(shù)據(jù)取反加1得0370H，注意符號(hào)位不變，也不參加運(yùn)算，則：實(shí)際溫度=(0370H)/16=(0×163+3×162+7×161+0×160)/16=55℃注意，負(fù)號(hào)則需要對(duì)采集的溫度的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后，再予以顯示。2.DS18B20的工作時(shí)序DS18B20對(duì)工作時(shí)序要求嚴(yán)格，延時(shí)時(shí)間需準(zhǔn)確，否則容易出錯(cuò)。工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序。11（1）初始化時(shí)序，單片機(jī)將數(shù)據(jù)線DQ電平拉低480～960μs后釋放，等待15～60μs，單總線器件即可輸出一持續(xù)60～240μs的低電平，單片機(jī)收到此應(yīng)答后即可進(jìn)行操作。（2）寫時(shí)序，當(dāng)單片機(jī)將數(shù)據(jù)線DQ電平從高拉到低時(shí)，產(chǎn)生寫時(shí)序，有寫“0”和寫“1”兩種時(shí)序。寫時(shí)序開始后，DS18B20在15～60μs期間從數(shù)據(jù)線上采樣。如果采樣到低電平，則向DS18B20寫的是“0”；如果采樣到高電平，則向DS18B20寫的是“1”。這兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)序間至少需要拉高總線電平1μs的時(shí)間。（3）讀時(shí)序，當(dāng)單片機(jī)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生讀時(shí)序。此時(shí)單片機(jī)將數(shù)據(jù)線DQ的電平從高拉到低使讀時(shí)序被初始化。如果在此后的15μs內(nèi)，單片機(jī)在數(shù)據(jù)線上

12采樣到低電平，則從DS18B20讀的是“0”；如果在此后的15μs內(nèi)，單片機(jī)在數(shù)據(jù)線上采樣到高電平，則從DS18B20讀的是“1”。3.DS18B20的命令DS18B20片內(nèi)都有唯一的64位光刻ROM編碼，出廠時(shí)已刻好。它是DS18B20的地址序列碼，目的是使每個(gè)DS18B20的地址都不相同，這樣就可實(shí)現(xiàn)在一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。64位光刻ROM的各位定義如下：13單片機(jī)寫入DS18B20的所有命令均為8位長，對(duì)ROM操作的命令見表10-3。14下面介紹表10-3中命令的用法。當(dāng)主機(jī)需要對(duì)多個(gè)單總線上的某一DS18B20進(jìn)行操作時(shí)，首先應(yīng)將主機(jī)逐個(gè)與DS18B20掛接，讀出其序列號(hào)（命令代碼為33H）；然后再將所有的DS18B20掛接到總線上，單片機(jī)發(fā)出匹配ROM命令（55H），緊接著主機(jī)提供的64位序列號(hào)之后的操作就是針對(duì)該DS18B20的。

如果主機(jī)只對(duì)一個(gè)DS18B20進(jìn)行操作，就不需要讀取ROM編碼以及匹配ROM編碼，只要使用跳過讀ROM序列號(hào)（CCH）命令，就可按表10-4執(zhí)行如下溫度轉(zhuǎn)換和讀取命令。15

10.1.2單總線DS18B20溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【例10-1】利用DS18B20和LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)單總線溫度測(cè)量系統(tǒng)，原理仿真電路如圖10-3所示。DS18B20的測(cè)量范圍是?55～128℃。本例由于只接有兩只數(shù)碼管，所以顯示的數(shù)值為00～99。讀者通過本例應(yīng)掌握DS18B20的特性以及單片機(jī)I/O實(shí)現(xiàn)單總線協(xié)議的方法。在Proteus環(huán)境下進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，用手動(dòng)調(diào)整DS18B20的溫度值，即用鼠標(biāo)單擊DS18B20圖標(biāo)上的“↑”或“↓”來改變溫度，注意手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的同時(shí)，LED數(shù)碼管上會(huì)顯示出與DS18B20窗口相同的2位溫度數(shù)值，表示測(cè)量結(jié)果正確。16圖10-3

單總線DS18B20溫度測(cè)量與顯示系統(tǒng)圖10-374LS47為BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，用于將單片機(jī)P0口輸出的欲顯示的BCD碼轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字顯示的段碼，并直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示。電路中的兩個(gè)三極管用于兩個(gè)數(shù)碼管的位控端的選通和驅(qū)動(dòng)。參考程序如下。

181920212210.2SPI總線串行擴(kuò)展SPI（SerialPeriperalInterface，串行外設(shè)接口）是Motorola公司推出的一種同步串行外設(shè)接口，允許單片機(jī)與多廠家的帶有標(biāo)準(zhǔn)SPI接口的外圍器件直接連接。所謂同步，就是串行口每發(fā)送、接收一位數(shù)據(jù)都伴隨有一個(gè)同步時(shí)鐘脈沖來控制。SPI外圍串行擴(kuò)展結(jié)構(gòu)如圖10-4所示。SPI使用4條線：串行時(shí)鐘SCK，主器件輸入/從器件輸出數(shù)據(jù)線MISO，主器件輸出/從器件輸入數(shù)據(jù)線MOSI和從器件選擇線CS*。27圖10-4SPI外圍串行擴(kuò)展結(jié)構(gòu)圖典型的SPI系統(tǒng)是單主器件系統(tǒng)，從器件通常是外圍器件，如存儲(chǔ)器、I/O接口、A/D、D/A、鍵盤、日歷/時(shí)鐘和顯示驅(qū)動(dòng)等。單片機(jī)使用SPI擴(kuò)展多個(gè)外圍器件時(shí)，SPI無法通過地址線譯碼選擇，故外圍器件都有片選端。在擴(kuò)展單個(gè)SPI器件時(shí)，外圍器件的片選端可以接地或通過I/O口控制；在擴(kuò)展多個(gè)SPI器件時(shí)，單片機(jī)應(yīng)分別通過I/O口線來分時(shí)選通外圍器件。在SPI串行擴(kuò)展系統(tǒng)中，如果某一從器件只作輸入（如鍵盤）或只作輸出（如顯示器）時(shí)，可省去一條數(shù)據(jù)輸出（MISO）線或一條數(shù)據(jù)輸入（MOSI）線，從而構(gòu)成雙線系統(tǒng)（接地）。SPI系統(tǒng)中單片機(jī)對(duì)從器件的選通需控制其CS*端，由于省去了地址字節(jié)，數(shù)據(jù)傳送軟件十分簡單。但在擴(kuò)展器件較多時(shí)，需要控制較多的從器件端，連線較多。29在SPI串行擴(kuò)展系統(tǒng)中，作為主器件的單片機(jī)在啟動(dòng)一次傳送時(shí)，便產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘，傳送給外圍器件作為同步時(shí)鐘，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。數(shù)據(jù)的傳送格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后，如圖10-5所示。數(shù)據(jù)線上輸出數(shù)據(jù)的變化以及輸入數(shù)據(jù)時(shí)的采樣，都取決于SCK。但對(duì)于不同的外圍芯片，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。SPI有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，最高可達(dá)1.05Mbit/s。30圖10-5SPI數(shù)據(jù)傳送格式目前世界各大公司為用戶提供了一系列具有SPI接口的單片機(jī)和外圍接口芯片，例如Motorola公司存儲(chǔ)器MC2814、顯示驅(qū)動(dòng)器MC14499和MC14489等各種芯片；美國TI公司的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC549、10位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549、12位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543等。SPI外圍串行擴(kuò)展系統(tǒng)的從器件要具有SPI接口。主器件是單片機(jī)。AT89S51單片機(jī)不帶有SPI接口，可采用軟件與I/O口結(jié)合來模擬SPI的接口時(shí)序。在SPI總線系統(tǒng)擴(kuò)展的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，擴(kuò)展串行D/A轉(zhuǎn)換器和串行A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用較多，AT89S51單片機(jī)與帶有SPI串行接口的12位A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543的擴(kuò)展設(shè)計(jì)案例將在11.7節(jié)介紹。3110.3I2C總線的串行擴(kuò)展I2C（InterInterfaceCircuit）全稱為芯片間總線，是應(yīng)用廣泛的芯片間串行擴(kuò)展總線。目前世界上采用的I2C總線有兩個(gè)規(guī)范，分別由荷蘭飛利浦公司和日本索尼公司提出，現(xiàn)在多采用飛利浦公司的I2C總線技術(shù)規(guī)范，它已成為電子行業(yè)認(rèn)可的總線標(biāo)準(zhǔn)。采用I2C技術(shù)的單片機(jī)以及外圍器件種類很多，目前已廣泛用于各類電子產(chǎn)品、家用電器及通信設(shè)備中。10.3.1I2C串行總線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)I2C串行總線只有兩條信號(hào)線，一條是數(shù)據(jù)線SDA，另一條是時(shí)鐘線SCL。SDA和SCL是雙向的，I2C總線上各器件的數(shù)據(jù)線都接到SDA線上，各器件的時(shí)鐘線均接到SCL線上。I2C總線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖10-6所示。3233圖10-6I2C串行總線系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)帶有I2C總線接口的主器件可直接與具有I2C總線接口的各種從器件（如存儲(chǔ)器、I/O芯片、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示器、日歷/時(shí)鐘芯片）連接。由于I2C總線采用純軟件的尋址方法，無需片選線的連接，這樣就大大簡化了總線數(shù)量。I2C串行總線的運(yùn)行由主器件控制。主器件是指啟動(dòng)數(shù)據(jù)的發(fā)送（發(fā)出起始信號(hào)）、發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)、傳送結(jié)束時(shí)發(fā)出終止信號(hào)的器件，通常由單片機(jī)來擔(dān)當(dāng)。從器件可以是存儲(chǔ)器、LED或LCD驅(qū)動(dòng)器、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘/日歷器件等，從器件必須帶有I2C串行總線接口。當(dāng)I2C總線空閑時(shí)，SDA和SCL兩條線均為高電平。由于連接到總線上器件的輸出級(jí)必須是漏級(jí)或集電極開路的，只要有一個(gè)器件任意時(shí)刻輸出低電平，都將使總線上的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是“線與”的關(guān)系。由于各器件輸出端為漏級(jí)開路，故必須通過上拉電阻接正電源（圖10-6中的兩個(gè)電阻），以保證SDA和SCL在空閑時(shí)被上拉為高電平。

34SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)SDA線上的各器件間的數(shù)據(jù)傳輸起同步控制作用。SDA線上的數(shù)據(jù)起始、終止及數(shù)據(jù)的有效性均要根據(jù)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)來判斷。在標(biāo)準(zhǔn)的I2C普通模式下，數(shù)據(jù)的傳輸速率為100kbit/s，高速模式下可達(dá)400kbit/s。總線上擴(kuò)展的器件數(shù)量不是由電流負(fù)載決定的，而是由電容負(fù)載確定的。I2C總線上的每個(gè)器件的接口處都有一定的等效電容，器件越多，電容值就越大，就會(huì)造成信號(hào)傳輸?shù)难舆t?？偩€上允許的器件數(shù)以器件的電容量不超過400pF（通過驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展可達(dá)4000pF）為宜，據(jù)此可計(jì)算出總線長度及連接器件的數(shù)量。每個(gè)連到I2C總線上的器件都有一個(gè)唯一的地址，擴(kuò)展器件數(shù)目的多少也要受器件地址數(shù)目的限制。35I2C總線應(yīng)用系統(tǒng)允許多主器件，但是在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常遇到的是以單一單片機(jī)為主器件，其他外圍接口器件為從器件的情況。10.3.2I2C總線的數(shù)據(jù)傳送規(guī)定1．?dāng)?shù)據(jù)位的有效性規(guī)定I2C總線在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，每一數(shù)據(jù)位的傳送都與時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)。時(shí)鐘脈沖為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，在I2C總線上，只有在時(shí)鐘線SCL為低電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平狀態(tài)才允許變化，如圖10-7所示。36圖10-7

數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定2．起始信號(hào)和終止信號(hào)根據(jù)I2C總線協(xié)議，總線上數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送由起始信號(hào)（S）開始、由終止信號(hào)（P）結(jié)束。起始信號(hào)和終止信號(hào)都由主器件發(fā)出，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于占用狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。下面結(jié)合圖10-8介紹有關(guān)起始信號(hào)和終止信號(hào)的規(guī)定。38圖10-8

起始信號(hào)和終止信號(hào)（1）起始信號(hào)S。在SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號(hào)，只有在起始信號(hào)以后，其他命令才有效。（2）終止信號(hào)P。在SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號(hào)。隨著終止信號(hào)的出現(xiàn)，所有外部操作都結(jié)束。3．I2C總線上數(shù)據(jù)傳送的應(yīng)答I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要由主器件對(duì)從器件進(jìn)行尋址，發(fā)出尋址字節(jié)，而傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)沒有限制，但是每字節(jié)必須為8位。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），如圖10-9所示。I2C總線在傳送每1字節(jié)數(shù)據(jù)后都必須有接收數(shù)據(jù)方發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)A，應(yīng)答信號(hào)在第9個(gè)時(shí)鐘位上出現(xiàn)，與應(yīng)答信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)由主器件產(chǎn)生，這時(shí)發(fā)送方必須在這一時(shí)鐘位上使SDA線處于高電平狀態(tài)，以便接收方在這一位上送出低電平的應(yīng)答信號(hào)A。圖10-9I2C總線上的應(yīng)答信號(hào)由于某種原因接收方不對(duì)主器件尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)，例如接收方正在進(jìn)行其他處理而無法接收總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，必須釋放總線，將數(shù)據(jù)線SDA置為高電平，而由主器件產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)主器件接收來自從器件的數(shù)據(jù)時(shí)，接收的最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須給從器件發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)（），使從機(jī)釋放數(shù)據(jù)總線，以便主器件發(fā)送一個(gè)終止信號(hào)，從而結(jié)束數(shù)據(jù)的傳送。4．尋址字節(jié)上面已經(jīng)介紹，I2C總線系統(tǒng)中主器件完成與從器件的數(shù)據(jù)傳輸（讀或?qū)懀紫纫芍髌骷?duì)從器件尋址，并確定數(shù)據(jù)的傳輸方向（讀或?qū)懀@是由主器件發(fā)出的尋址字節(jié)來控制的。尋址字節(jié)格式如下：41尋址字節(jié)包含了7位從器件地址和1位數(shù)據(jù)傳輸方向（讀或?qū)懀┛刂莆弧?位從器件地址為“DA3、DA2、DA1、DA0”和“A2、A1、A0”，其中“DA3、DA2、DA1、DA0”為器件固有的類型號(hào)編碼，出廠時(shí)就已經(jīng)給定?！癆2、A1、A0”為引腳地址，由器件引腳A2、A1、A0在電路中接高電平或接地決定（見后面的圖10-11）。尋址字節(jié)的最低位為數(shù)據(jù)方向位（R/），規(guī)定了總線上的主器件（單片機(jī)）與從器件的數(shù)據(jù)傳送方向。R/=1，表示主器件接收（讀）。R/=0，表示主器件發(fā)送（寫）。5．I2C總線上的數(shù)據(jù)幀格式I2C總線上傳送的信號(hào)即包括數(shù)據(jù)信號(hào)，也包括地址信號(hào)。I2C總線規(guī)定，在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)尋址字節(jié)，即7位從器件的地址，1位數(shù)據(jù)傳送的方向位（R/），用“0”表示主器件發(fā)送數(shù)據(jù)（），“1”表示主器件接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主器件產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，若主器件希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從器件發(fā)尋址字節(jié)。因此，在總線一次數(shù)據(jù)傳送過程中，通常有以下幾種組合方式：（1）主器件向從器件發(fā)送n字節(jié)數(shù)據(jù)的寫操作，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過程中不變，數(shù)據(jù)傳送的格式如下：44其中：字節(jié)1～字節(jié)n為主機(jī)寫入從器件的n字節(jié)的數(shù)據(jù)。格式中陰影部分表示主器件向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)，無陰影部分表示從器件向主器件發(fā)送，以下同。上述格式中的尋址字節(jié)中的7位為“從器件地址”，緊接其后的“1”為讀，“0”為寫。（2）主器件接收來自從器件的n字節(jié)的讀操作。除第1個(gè)尋址字節(jié)由主器件發(fā)出，n字節(jié)都由從器件發(fā)送，主器件接收，數(shù)據(jù)傳送的格式如下：其中：字節(jié)1～字節(jié)n為從器件被讀出的n字節(jié)數(shù)據(jù)。主器件發(fā)送終止信號(hào)前應(yīng)發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)，向從器件表明讀操作要結(jié)束。

（3）主器件的讀、寫操作。在一次數(shù)據(jù)傳送過程中，主器件先發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)，然后再接收1字節(jié)數(shù)據(jù)，此時(shí)起始信號(hào)和從器件地址都被重新產(chǎn)生一次，但兩次讀寫的方向位正好相反。數(shù)據(jù)傳送的格式如下：45格式中的“Sr”表示重新產(chǎn)生的起始信號(hào)，“從器件地址r”表示重新產(chǎn)生的從器件地址。由上可見，無論哪種方式，起始信號(hào)、終止信號(hào)和從器件地址（尋址字節(jié)中的高7位）均由主器件發(fā)送，數(shù)據(jù)字節(jié)的傳送方向則由主器件發(fā)出的尋址字節(jié)的最低位規(guī)定，每個(gè)字節(jié)的傳送都必須有應(yīng)答位（A或）相隨。6．?dāng)?shù)據(jù)傳送的時(shí)序I2C總線上每傳送一位數(shù)據(jù)都與一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)，傳送的每一幀數(shù)據(jù)均為一字節(jié)。但啟動(dòng)I2C總線后傳送的字節(jié)數(shù)沒有限制，只要求每傳送一個(gè)字節(jié)后，對(duì)方回答一個(gè)應(yīng)答位。在時(shí)鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線的狀態(tài)就是要傳送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的改變必須在時(shí)鐘線為低電平期間完成。在數(shù)據(jù)傳輸期間，只要時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線都必須穩(wěn)定，否則數(shù)據(jù)線上的任何變化都當(dāng)作起始或終止信號(hào)。I2C總線數(shù)據(jù)傳送必須遵循的數(shù)據(jù)傳送格式見圖10-10。圖10-10所示為一次完整的數(shù)據(jù)傳送應(yīng)答時(shí)序。根據(jù)總線規(guī)范，起始信號(hào)表明一次數(shù)據(jù)傳送的開始，其后為尋址字節(jié)。在尋址字節(jié)后是按指定讀、寫的數(shù)據(jù)字節(jié)與應(yīng)答位。在數(shù)據(jù)傳送完成后主器件都必須發(fā)送終止信號(hào)。在起始與終止信號(hào)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)由主器件（單片機(jī)）決定，沒有字節(jié)數(shù)限制。46圖10-10I2C總線一次完整的數(shù)據(jù)傳送應(yīng)答時(shí)序10.3.3AT89S51的I2C總線系統(tǒng)擴(kuò)展目前，許多公司都推出帶有I2C總線接口的單片機(jī)及各種外圍擴(kuò)展器件，常見的有ATMEL公司的AT24Cxx系列存儲(chǔ)器、PHILIPS公司的PCF8553（時(shí)鐘/日歷且?guī)в?56×8RAM）和PCF8570（256×8RAM）、MAXIM公司的MAX117/118（A/D轉(zhuǎn)換器）和MAX517/518/519（D/A轉(zhuǎn)換器）等。主器件通常由帶有I2C總線接口的單片機(jī)來擔(dān)當(dāng)。從器件必須帶有I2C總線接口。AT89S51單片機(jī)沒有I2C接口，可利用并行I/O口線結(jié)合軟件來模擬I2C總線時(shí)序。因此，在許多的應(yīng)用中，都將I2C總線的模擬傳送作為常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。圖10-11所示為AT89S51單片機(jī)與具有I2C總線器件的擴(kuò)展接口電路。圖中，AT24C02為E2PROM芯片，PCF8570為靜態(tài)256×8RAM，48圖10-11AT89S51單片機(jī)擴(kuò)展I2C總線器件的接口電路PCF8574為8位I/O接口，SAA1064為4位LED驅(qū)動(dòng)器。雖然各種器件的原理和功能有很大的差異，但它們與AT89S51單片機(jī)的連接是相同的。10.3.4I2C總線數(shù)據(jù)傳送的模擬使用I2C總線進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，多為單主器件結(jié)構(gòu)，這樣總線數(shù)據(jù)的傳送控制比較簡單，沒有總線的競爭與同步，只存在單片機(jī)對(duì)I2C總線上各從器件的讀、寫操作。由于AT89S51單片機(jī)沒有I2C接口，通常采用I/O口線結(jié)合軟件來實(shí)現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送的信號(hào)模擬。1．典型信號(hào)模擬為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時(shí)序要求。I2C總線的起始信號(hào)、終止信號(hào)、應(yīng)答/數(shù)據(jù)“0”及非應(yīng)答/數(shù)據(jù)“1”的模擬時(shí)序如圖10-12～圖10-15所示。50對(duì)于發(fā)送應(yīng)答位、非應(yīng)答位來說，與發(fā)送數(shù)據(jù)“0”和“1”的信號(hào)定時(shí)要求完全相同。只需要滿足在時(shí)鐘線SCL高電平大于4μs期間，SDA線上有確定的電平狀態(tài)即可。2．典型信號(hào)及字節(jié)收發(fā)的模擬子程序設(shè)主器件采用AT89S51單片機(jī)，晶振頻率為12MHz（即機(jī)器周期為1μs），對(duì)常用的幾個(gè)典型信號(hào)的波形模擬如下。（1）起始信號(hào)S。對(duì)于一個(gè)新的起始信號(hào)，要求起始前總線的空閑時(shí)間大于4.7μs，而對(duì)于一個(gè)重復(fù)的起始信號(hào)，要求建立時(shí)間也須大于4.7μs。圖10-12所示的起始信號(hào)的時(shí)序波形在SCL高電平期間SDA發(fā)生負(fù)跳變，該時(shí)序波形適用于數(shù)據(jù)模擬傳送中任何情況下的起始操作。起始信號(hào)到第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔應(yīng)大于4.0μs。52圖10-12

起始信號(hào)S的模擬時(shí)序產(chǎn)生圖10-12所示的起始信號(hào)S的子程序如下：53上述的延時(shí)4.7μs和延時(shí)4μs的子程序分別如下：（2）終止信號(hào)P。對(duì)于終止信號(hào)，要保證有大于4.7μs的信號(hào)建立時(shí)間。終止信號(hào)結(jié)束時(shí)，要釋放總線，使SDA、SCL維持在高電平，在大于4.7μs后才可以進(jìn)行第1次起始操作。在單主器件系統(tǒng)中，為防止非正常傳送，終止信號(hào)后SCL可以設(shè)置在低電平。在SCL高電平期間SDA發(fā)生正跳變。終止信號(hào)P的時(shí)序波形如圖10-13所示。54圖10-13

終止信號(hào)P的模擬時(shí)序產(chǎn)生圖10-13所示的終止信號(hào)P的子程序如下：

（3）發(fā)送應(yīng)答位/數(shù)據(jù)“0”。在SDA低電平期間SCL發(fā)生一個(gè)正脈沖，時(shí)序波形如圖10-14所示。55圖10-14

應(yīng)答位/數(shù)據(jù)“0”的模擬時(shí)序產(chǎn)生圖10-14所示的發(fā)送應(yīng)答位/數(shù)據(jù)“0”的子程序如下：（4）發(fā)送非應(yīng)答位/數(shù)據(jù)“1”。在SDA高電平期間SCL發(fā)生一個(gè)正脈沖，時(shí)序波形如圖10-15所示。56圖10-15非應(yīng)答位/數(shù)據(jù)“1”的模擬時(shí)序產(chǎn)生圖10-15所示的發(fā)送非應(yīng)答位/數(shù)據(jù)“1”的子程序如下：10.3.5利用I2C總線擴(kuò)展E2PROMAT24C02的IC卡設(shè)計(jì)IC卡是由通用存儲(chǔ)器芯片封裝而成，由于其結(jié)構(gòu)和功能簡單，成本低、使用方便，已得到廣泛應(yīng)用。目前用于IC卡的通用存儲(chǔ)器芯片多為E2PROM，且采用I2C總線接口，典型器件為ATMEL公司的I2C接口的AT24Cxx系列。該系列具有AT24C01/02/04/08/16等型號(hào)，它們的封裝形式、引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似，只是容量不同，分別為128B/256B/512B/1KB/2KB。下面以AT24C02為例，介紹單片機(jī)如何通過I2C總線對(duì)AT24C02/進(jìn)行讀寫。1．AT24C02芯片簡介（1）封裝與引腳AT24C02的封裝形式有雙列直插（DIP）8腳式和貼片8腳式兩種，無57論何種封裝，其引腳功能都是一樣的。AT24C02的DIP形式引腳如圖10-16所示。58圖10-16AT24C02的DIP引腳AT24C02的引腳功能見表10-5。59（2）存儲(chǔ)單元的尋址AT24C02的存儲(chǔ)容量為256B，分為32頁，每頁8B。對(duì)片內(nèi)單元訪問操作，先發(fā)尋址字節(jié)對(duì)芯片尋址，然后再進(jìn)行片內(nèi)子地址尋址。①芯片尋址。AT24C02芯片地址固定為1010，它是I2C總線器件的特征編碼，其尋址字節(jié)的格式為1010A2A1A0R/。A2A1A0引腳接高、低電平后得到確定的3位編碼，與1010形成7位編碼，即為該器件的地址碼。由于A2A1A0共有8種組合，故系統(tǒng)最多可外接8片AT24C02，R/是對(duì)芯片的讀/寫控制位。②片內(nèi)子地址尋址。在確定了AT24C02芯片的7位地址碼后，片內(nèi)的存儲(chǔ)空間可再用1字節(jié)的地址碼進(jìn)行尋址，尋址范圍為00H～FFH，可對(duì)片內(nèi)的256個(gè)單元進(jìn)行讀/寫操作。（3）寫操作AT24C02有兩種寫入方式，即字節(jié)寫入方式與頁寫入方式。60①字節(jié)寫入方式。主器件（單片機(jī)）先發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)和1字節(jié)的尋址字節(jié)，從器件AT24C02發(fā)出應(yīng)答信號(hào)后，單片機(jī)再發(fā)送1字節(jié)的存儲(chǔ)單元子地址（AT24C02芯片內(nèi)部單元的地址碼），單片機(jī)收到AT24C02應(yīng)答后，再發(fā)送8位數(shù)據(jù)和1位終止信號(hào)。②頁寫入方式。單片機(jī)先發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)和1字節(jié)的尋址字節(jié)，再發(fā)送1字節(jié)的存儲(chǔ)器起始單元地址，上述幾個(gè)字節(jié)都得到AT24C02的應(yīng)答后，就可以發(fā)送最多1頁的數(shù)據(jù)，并順序存放在已指定的起始地址開始的相繼單元中，最后以終