上交第十一章

1第11章:串行擴(kuò)展技術(shù)目錄11.1單總線串行擴(kuò)展11.2SPI總線串行擴(kuò)展11.3I2C總線擴(kuò)展11.3.1I2C總線基礎(chǔ)11.3.280C51的I2C總線時序模擬11.3.380C51與AT24C02的接口2單片機(jī)總線擴(kuò)展技術(shù)，按照數(shù)據(jù)傳送方式，可分為兩大類：并行總線擴(kuò)展技術(shù)和串行總線擴(kuò)展技術(shù)。

并行總線速度快，適合短距離高速傳送；串行總線連線少，結(jié)構(gòu)簡單，占用單片機(jī)的I/O口資源少，可直接與許多外圍設(shè)備連接，適合遠(yuǎn)距離慢速傳送。目前，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的串行擴(kuò)展總線有:單總線(1-WireBUS)、SPI總線(SerialPeripheralInterfaceBUS)、I2C總線(Inter-IntegratedCircuitBUS)及SMBus總線(SystemManagementBus)等。11.1單總線串行擴(kuò)展3

單總線(1-WireBus)是美國的Maxim全資子公司達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出了一項(xiàng)特有的串行擴(kuò)展總線技術(shù)，已經(jīng)集成到各種類型的芯片中，如存儲器、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、實(shí)時時鐘和電池管理芯片等。單總線只有一條數(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線供給，這種使用一條信號線的串行擴(kuò)展技術(shù)，稱為單總線技術(shù)。與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)總線不同，單總線技術(shù)采用單根信號線，既能傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，實(shí)現(xiàn)半雙工通信。因此它具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在測量、控制、認(rèn)證和識別等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。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)。每個芯片都有64位ROM，廠家對每一個芯片用激光燒寫編碼，其中存有16位十進(jìn)制編碼序列號，它是器件的地址編號，確保它掛在總線上后，可以被唯一確定。11.1單總線串行擴(kuò)展411.1單總線串行擴(kuò)展圖11-1單總線芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

5【例11-1】圖11-2（a）所示為一個由單總線構(gòu)成的分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)例，也可用于各種狹小空間內(nèi)設(shè)備的數(shù)字測溫。圖中多個帶有單總線接口的數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片都掛在單片機(jī)的1根I/O口線(即DQ線)上。單片機(jī)對每個DS18B20通過總線DQ尋址。DQ為漏極開路，需加上拉電阻。11.1單總線串行擴(kuò)展圖11-2單總線構(gòu)成的分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)6DS18B20具有以下特點(diǎn)：(1)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。(2)每個芯片都有唯一的64位光刻ROM編碼，家族碼為28H。(3)溫度測量范圍-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，測量精度可達(dá)±0.5℃。(4)DS18B20的分辨率為可編程的9～12位(其中包括1位符號位)，對應(yīng)的溫度變化量分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。(5)DS18B20的轉(zhuǎn)換時間與分辨率有關(guān)。當(dāng)設(shè)定為9位時，轉(zhuǎn)換時間為93.75ms；當(dāng)設(shè)定為10位時，轉(zhuǎn)換時間為187.5ms；當(dāng)設(shè)定為11位時，轉(zhuǎn)換時間為375ms；當(dāng)設(shè)定為12位時，轉(zhuǎn)換時間為750ms。(6)DS18B20片內(nèi)含有SRAM(暫存寄存器)和E2PROM(非易失寄存器)，單片機(jī)寫入E2PROM的上下限溫度值以及對DS18B20的設(shè)置，在芯片掉電的情況下不丟失。11.1單總線串行擴(kuò)展711.2SPI總線串行擴(kuò)展SPI總線（SerialPeripheralInterfaceBUS）的中文意思就是串行外部設(shè)備接口，SPI總線是由Motorola公司最先推出的全雙工同步串行總線，允許單片機(jī)與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信，主要應(yīng)用在EEPROM，F(xiàn)LASHRAM，實(shí)時時鐘，LCD顯示驅(qū)動器，A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器等芯片中。標(biāo)準(zhǔn)的SPI總線可直接與各個廠家生產(chǎn)的具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進(jìn)行連接，只需通過4條信號線就可以實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的通信，被稱為四線制同步串行總線。SPI使用4條線：串行時鐘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。8圖11-3SPI外圍串行擴(kuò)展結(jié)構(gòu)圖圖11-4SPI數(shù)據(jù)傳送格式11.2SPI總線串行擴(kuò)展9【例11-2】設(shè)計80C51單片機(jī)與串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543的SPI接口圖11-580C51單片機(jī)與TLC2543的SPI接口11.2SPI總線串行擴(kuò)展10具體的子程序如下：ADCOMDBYTE6FH；定義命令存儲單元ADOUTHBYTE6EH；定義存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果高4位單元ADOUTLBYTE6DH；定義存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果低8位單元ADCONV：CLRP1.0；時鐘腳為低電平CLRP1.3；片選

有效，選中TLC2543MOVR2，#08H；送出下一次8位轉(zhuǎn)換命令和讀8位轉(zhuǎn)換結(jié)果做準(zhǔn)備MOVA，ADCOMD；下一次轉(zhuǎn)換的命令在ADCOMD單元中送ALOOP1：MOVC，P1.2；讀入1位轉(zhuǎn)換結(jié)果RRCA；1位轉(zhuǎn)換結(jié)果帶進(jìn)位位右移MOVP1.1，C；送出命令字節(jié)中的1位SETBP1.0；產(chǎn)生1個時鐘NOPCLRP1.0NOP11.2SPI總線串行擴(kuò)展11

DJNZR2，LOOP1；是否完成8次轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入和命令輸出？未完則跳MOVADOUTL，A；讀入的8位轉(zhuǎn)換結(jié)果存人ADOUTL單元MOVA，#00H；A清0MOVR2，#04H；為讀入4位轉(zhuǎn)換結(jié)果做準(zhǔn)備LOOP2：MOVC，P1.2；讀入高4位轉(zhuǎn)換結(jié)果中的1位RRCA；帶進(jìn)位位循環(huán)右移SETBP1.0；產(chǎn)生1個時鐘NOPCLRP1.0NOPDJNZR2，LOOP2；是否完成4次讀入？末完則跳LOOP2MOVADOUTH，A；高4位轉(zhuǎn)換結(jié)果存人ADOUTH單元中的高4位SWAPADOUTH；ADOUTH單元中的高4位與低4位互換SETBP1.0；時鐘無效RET11.2SPI總線串行擴(kuò)展1211.3I2C總線擴(kuò)展11.3.1I2C總線基礎(chǔ)一、I2C總線架構(gòu)

I2C總線(Inter-IntegratedCircuitBUS)是PHILIPS公司開發(fā)的一種雙向兩線制同步串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)連接于總線上的器件之間的信息傳送，是近年來微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。目前許多接口器件采用了I2C總線接口，如AT24C系列E2PROM器件、LED驅(qū)動器SAA1064等。PHILIPS公司推出的包括LED驅(qū)動器、LCD驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、RAM、EPROM及I/O接口在內(nèi)的I2C接口電路芯片。I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA,另一根是時鐘線SCL。所有連接到I2C總線上器件的數(shù)據(jù)線都接到SDA線上,各器件的時鐘線均接到SCL線上。1311.3I2C總線擴(kuò)展圖11-7I2C總線的基本架構(gòu)14二、I2C總線的特點(diǎn)I2C總線的特點(diǎn)如下：(1)采用二線制。I2C總線由于采用二線制，器件引腳少，器件間連接簡單，電路板體積減小，可靠性提高。(2)傳輸速率高。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率標(biāo)準(zhǔn)模式傳輸速率為100Kbps，快速模式為400Kbps，高速模式為3.4Mbps。(3)每個連接到總線的器件都可以通過軟件以唯一的地址尋址，并建立簡單的主機(jī)/從機(jī)關(guān)系，主器件既可以作為發(fā)送器，也可以作為接收器。(4)支持主/從和多主兩種工作方式。11.3I2C總線擴(kuò)展15三、I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸在I2C總線上，每一位數(shù)據(jù)位的傳輸都與時鐘脈沖相對應(yīng)。邏輯0和邏輯1的信號電平取決于相應(yīng)的電源電壓VCC。數(shù)據(jù)傳輸時，SCL為高電平期間，SDA上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定；在SCL為低電平期間，SDA上的電平狀態(tài)才允許變化。圖11-8數(shù)據(jù)傳輸時序11.3I2C總線擴(kuò)展16（1）起始和終止信號I2C總線規(guī)定，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；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。起始信號和終止信號由主機(jī)發(fā)出。在起始信號發(fā)出后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號發(fā)出后，總線就處于空閑狀態(tài)。從器件檢測起始和終止信號。從器件收到一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，如果可以馬上接收下一字節(jié)，要發(fā)出應(yīng)答信號。若無法立刻接收下一個字節(jié)，可將SCL線拉成低電平，使主機(jī)處于等待狀態(tài)，直到準(zhǔn)備好接收下一個字節(jié)時，再釋放SCL線使之為高電平。11.3I2C總線擴(kuò)展17圖11-9起始和終止信號11.3I2C總線擴(kuò)展18（2）字節(jié)傳送與應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)數(shù)沒有限制，但每個字節(jié)必須是8位長度，先傳最高位(MSB)，每個被傳輸?shù)淖止?jié)后面都要跟隨應(yīng)答位(即一幀共有9位)。如果從器件進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳輸一段時間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時，從器件可以通過對無法接收的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳輸。當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時，它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從器件發(fā)出一個結(jié)束傳輸?shù)摹胺菓?yīng)答”信號，然后從器件釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號。11.3I2C總線擴(kuò)展19

圖11-10應(yīng)答時序11.3I2C總線擴(kuò)展20（3）尋址字節(jié)在主機(jī)發(fā)出起始信號后要再傳輸1個尋址字節(jié)：7位從器件地址，1位傳輸方向控制位(用0表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，1表示主機(jī)接收數(shù)據(jù))。D7～D1位組成從機(jī)的地址，D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位。主機(jī)發(fā)送地址時，總線上的每個從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較。如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址。器件地址由固定部分和可編程兩部分組成。

11.3I2C總線擴(kuò)展圖11-11尋址數(shù)據(jù)格式21表11.1AT24C系列存儲器器件地址表器件型號字節(jié)容量尋址字節(jié)內(nèi)部地址字節(jié)數(shù)頁面寫字節(jié)數(shù)最多可掛器件數(shù)固定標(biāo)識片選R/WAT1281010A2A1A01/0188AT02256A2A1A01/088AT04512A2A1P01/0164AT1KA2P1P01/0162AT2KP2P1P01/0161AT4KA2A1A01/02328AT8KA2A1A01/0328AT128B16KA2A1A01/0648AT256B32KA2A1A01/0648AT512B64KA2A1A01/0128811.3I2C總線擴(kuò)展2211.3.280C51的I2C總線時序模擬對于沒有配置I2C總線接口的單片機(jī)(如80C51等)，可以利用通用并行I/O口線模擬I2C總線接口的時序。一、I2C總線典型信號I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸有嚴(yán)格的時序要求。I2C總線的起始信號、終止信號、發(fā)送應(yīng)答(0)及發(fā)送非應(yīng)答(1)的時序如圖所示。11.3I2C總線擴(kuò)展23

圖11-12典型信號的時序11.3I2C總線擴(kuò)展24二、I2C總線典型信號模擬子程序設(shè)主機(jī)采用80C51單片機(jī)，晶振頻率為6MHz(即機(jī)器周期為2μs)，則幾個典型信號的模擬子程序如下所述。（1）起始信號STA：SETBSDASETBSCLNOPNOPCLRSDANOPNOPCLRSCLRET11.3I2C總線擴(kuò)展25（2）終止信號STP：CLRSDASETBSCLNOPNOPSETBSDANOPNOPCLRSDARET11.3I2C總線擴(kuò)展26（3）發(fā)送應(yīng)答位0ASK：CLRSDASETBSCLNOPNOPCLRSCLSETBSDARET11.3I2C總線擴(kuò)展27（4）發(fā)送非應(yīng)答位1NAS：SETBSDASETBSCLNOPNOPCLRSCLCLRSDARET注意：使用這些子程序時，在主程序中應(yīng)設(shè)置如下語句：SDAEQUP1.7SCLEQUP1.611.3I2C總線擴(kuò)展28圖11-13AT24C02的引腳圖11-14AT24C02與單片機(jī)的接口11.3.380C51與AT24C02的接口

串行E2PROM的優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、占用I/O口線少，性能價格比高。典型產(chǎn)品如ATMEL公司的AT24C02，其引腳定義如圖11-13所示，80C51系列單片機(jī)的連接如圖11-14所示。圖中僅擴(kuò)展一個器件，所以將A2、A1、A0這3條地址線接地。WP為寫保護(hù)控制端，接地時允許寫入。SDA是數(shù)據(jù)輸入/輸出線，SCL為串行時鐘線。11.3I2C總線擴(kuò)展29圖11-15寫入n個字節(jié)的數(shù)據(jù)格式一、寫操作過程對AT24C02寫入時，單片機(jī)發(fā)出起始信號之后再發(fā)送的是控制字節(jié)，然后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個應(yīng)答信號，單片機(jī)收到應(yīng)答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。傳送數(shù)據(jù)時，單片機(jī)首先發(fā)送一個字節(jié)的預(yù)寫入存儲單元的首地址，收到正確的應(yīng)答后，單片機(jī)就逐個發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)，但每發(fā)送一個字節(jié)后都要等待應(yīng)答。單片機(jī)發(fā)出停止信號P后，啟動AT24C02的內(nèi)部寫周期，完成數(shù)據(jù)寫入工作(約10ms內(nèi)結(jié)束)。AT24C02片內(nèi)地址指針在接收到每一個數(shù)據(jù)字節(jié)后自動加1，在芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)”(頁面字節(jié)數(shù))限度內(nèi)，只需輸入首地址。裝載字節(jié)數(shù)超過芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)”時，數(shù)據(jù)地址將“上卷”，前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋。當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)傳送完后，單片機(jī)應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束寫入操作。11.3I2C總線擴(kuò)展30圖11-16讀出n個字節(jié)的數(shù)據(jù)格式二、讀操作過程

對AT24C02讀出時，單片機(jī)也要發(fā)送該器件的控制字節(jié)(“偽寫”)，發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個時鐘信號，被選中的存儲器在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個應(yīng)答信號作為響應(yīng)。

然后，單片機(jī)再發(fā)送一個字節(jié)的要讀出器件的存儲區(qū)的首地址，收到器件的應(yīng)答后，單片機(jī)要重復(fù)一次起始信號并發(fā)出器件地址和讀方向位(1)，收到器件應(yīng)答后就可以讀出數(shù)據(jù)字節(jié)，每讀出一個字節(jié)，單片機(jī)都要回復(fù)應(yīng)答信號。當(dāng)最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)讀完后，單片機(jī)應(yīng)返回以“非應(yīng)答”(高電平)，并發(fā)出終止信號以結(jié)束讀出操作。11.3I2C總線擴(kuò)展31三、基本操作子程序（1）應(yīng)答位檢查正常應(yīng)答時F0標(biāo)志為0，否則F0為1。ASKC：SETBSDASETBSCLCLRF0MOVC，SDAJNCEXITSETBF0；非正常應(yīng)答EXIT：CLRSCLRET

11.3I2C總線擴(kuò)展32（2）發(fā)送一個字節(jié)預(yù)發(fā)送的數(shù)據(jù)在A中，程序中要用到R0。WRB：MOVR0，#8WLP1：RLCAJCWR1AJMPWR0WLP2：DJNZR0，WLP1

RETWR1：SETBSDASETBSCLNOPNOPCLRSCLCLRSDAAJMPWLP2WR0：CLRSDASETBSCLNOPNOPCLRSCLAJMPWLP211.3I2C總線擴(kuò)展33（3）從E2PROM讀一個字節(jié)讀取的一個字節(jié)數(shù)據(jù)存于R2或A中，程序中要用R0作計數(shù)器。RDB：MOVR0，#8RLP：SETBSDASETBSCLMOVC，SDAMOVA，R2RLCAMOVR2，ACLRSCLDJNZR0，RLP

RET11.3I2C總線擴(kuò)展34（4）向E2PROM發(fā)送n個字節(jié)入口條件：向R1送入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址；SNUM送入發(fā)送字節(jié)數(shù)；SLAW送入寫尋址字節(jié)。WRNB：LCALLSTAMOVA，SLAWLCALLWRBLCALLASKCJBF0，WRNBWLP：MOVA，@R1LCALLWRBLCALLASKCJBF0，WRNBINCR1DJNZSNUM，WLP

LCALLSTPRET11.3I2C總線擴(kuò)展35（5）從E2PROM讀取n個字節(jié)入口條件：R1送入接收緩沖區(qū)首地址；RNUM送入接收字節(jié)數(shù)；SLAR送入讀尋址字節(jié)。RDNB：LCALLSTAMOVA，SLARLCALLWRBLCALLASKCJBF0，RDNBRNLP：LCALLRDBMOV@R1，ADJNZRNUM，F(xiàn)ASKLCALLNASLCALLSTPRETFASK：LCALLASKINCR1STMPRNLP11.3I2C總線擴(kuò)展36【例11-3】編程實(shí)現(xiàn)向AT24C02的50H～57H單元寫入00H、11H、22H、33H、44H、55H、66H、77H共8個數(shù)據(jù)，接口電路如圖11-14所示。解：由題意及電路圖可知，SLA2=A0H。AT24C02接收數(shù)據(jù)區(qū)首地址50H及8個數(shù)據(jù)先放在單片機(jī)內(nèi)部RAM的30H～38H單元。程序如下：SDAEQUP1.7SCLEQUP1.6SNUMEQU40HSLAWEQU41H

ORG0000HAJMPMAINORG0040HMAIN：MOVSP，#5FHLCALLLDATA；初始化MOVSLAW，#0A0H；設(shè)尋址控制字節(jié)MOVSNUM，#9MOVR1，#50HLCALLWRNBSJMP$11.3I2C總線擴(kuò)展37LDATA：MOV