《微控制器原理及應(yīng)用技術(shù)》課件第8章

第8章基于MCS51的典型串行總線(xiàn)設(shè)計(jì)8.1概述

8.2RS485總線(xiàn)

8.3SPI總線(xiàn)8.4I2C總線(xiàn)教學(xué)提示：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)涉及到外部設(shè)備的接口與擴(kuò)展。早期單片機(jī)系統(tǒng)大都采用并行總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型的串行數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)。相應(yīng)地，許多新型外圍器件都支持這些總線(xiàn)接口。串行總線(xiàn)接口靈活，占用單片機(jī)資源少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，極易形成用戶(hù)的模塊化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)廣泛采用串行總線(xiàn)接口技術(shù)。

教學(xué)要求：本章主要介紹SPI、I2C總線(xiàn)和RS485的工作原理，重點(diǎn)掌握利用MCS51單片機(jī)和相關(guān)接口芯片實(shí)現(xiàn)SPI、I2C和RS485總線(xiàn)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法。

微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)大都采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是采用一組公共的信號(hào)線(xiàn)作為微型計(jì)算機(jī)各部件之間的通信線(xiàn)，這組公共信號(hào)線(xiàn)就稱(chēng)為總線(xiàn)。單片機(jī)的常用總線(xiàn)有并行總線(xiàn)與串行總線(xiàn)。8.1概述早期的單片機(jī)著力于將CPU與外圍功能單元的集成，完善并行三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成與擴(kuò)展。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的采用串行外設(shè)接口技術(shù)。串行外設(shè)接線(xiàn)靈活，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，極易形成用戶(hù)的模塊化結(jié)構(gòu)，對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，增加硬件構(gòu)成的靈活性，具有重要的意義。

串行總線(xiàn)可以顯著減少引腳數(shù)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨著外圍器件串行接口的發(fā)展，單片機(jī)串行接口的普遍化和高速化使得并行擴(kuò)展接口技術(shù)日漸衰退，推出了刪去并行總線(xiàn)的非總線(xiàn)單片微機(jī)，需要外擴(kuò)器件(存儲(chǔ)器、I/O等)時(shí)，采用串行擴(kuò)展總線(xiàn)，甚至用軟件虛擬串行總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

各大半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的四線(xiàn)SPI接口、三線(xiàn)Microwire接口、二線(xiàn)I2C和一線(xiàn)1Wire等接口芯片充滿(mǎn)了電子市場(chǎng)。這些接口主要完成單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備連接，主要用于系統(tǒng)內(nèi)芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸；還有一些串行總線(xiàn)技術(shù)如RS232、CAN、RS485，主要完成微機(jī)系統(tǒng)之間的連接，稱(chēng)為外部串行總線(xiàn)，它們是系統(tǒng)之間的通信用總線(xiàn)。本章主要介紹SPI、I2C和RS485總線(xiàn)的原理。

通用的微處理器都集成有1路或多路硬件UART通道，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)串行通信。在工業(yè)控制、電力通訊、智能儀表等領(lǐng)域中，也常常使用簡(jiǎn)便易用的串行通訊方式作為數(shù)據(jù)交換的手段。8.2RS485總線(xiàn)但是，在工業(yè)控制等環(huán)境中，常會(huì)有電氣噪聲干擾傳輸線(xiàn)路，使用RS232通信時(shí)經(jīng)常因外界的電氣干擾而導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤；另外，RS232通信的最大傳輸距離在不增加緩沖器的情況下只可以達(dá)到15米。為了解決上述問(wèn)題，RS485通信方式就應(yīng)運(yùn)而生了。8.2.1RS485電氣特性

電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)于1983年制訂并發(fā)布RS485標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)通訊工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)修訂后命名為T(mén)IA/EIA485A，習(xí)慣地稱(chēng)之為RS485標(biāo)準(zhǔn)。RS485標(biāo)準(zhǔn)是為彌補(bǔ)RS232通信距離短、速率低等缺點(diǎn)而產(chǎn)生的。RS485標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性，而沒(méi)有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。RS485標(biāo)準(zhǔn)與RS232不一樣，其數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式(DifferentialDriverMode)，也稱(chēng)為平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線(xiàn)，將其中一線(xiàn)定義為A，另一線(xiàn)定義為B，如圖8.1所示。

圖8.1RS485發(fā)送器的示意圖通常情況下，發(fā)送發(fā)送器A、B之間的正電平在＋2～＋6V范圍內(nèi)，是一個(gè)邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在－2～－6V范圍內(nèi)，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C。在RS485器件中，一般還有一個(gè)“使能”控制信號(hào)?！笆鼓堋毙盘?hào)用于控制發(fā)送發(fā)送器與傳輸線(xiàn)的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，稱(chēng)為“第三態(tài)”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態(tài)。

對(duì)于接收發(fā)送器，也作出與發(fā)送發(fā)送器相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過(guò)平衡雙絞線(xiàn)將AA與BB對(duì)應(yīng)相連。當(dāng)在接收端AB之間有大于＋200mV的電平時(shí)，輸出為正邏輯電平；小于－200mV時(shí)，輸出為負(fù)邏輯電平。在接收發(fā)送器的接收平衡線(xiàn)上，電平范圍通常在200mV~6V之間,參見(jiàn)圖8.2所示。

圖8.2RS485接收器的示意圖定義邏輯1(正邏輯電平)為B＞A的狀態(tài)，邏輯0(負(fù)邏輯電平)為A＞B的狀態(tài)，A、B之間的壓差不小于200mV。TIA/EIA485串行通信標(biāo)準(zhǔn)的性能如表8.1所示。表8.1TIA/EIA485串行通信標(biāo)準(zhǔn)的性能

RS485標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。通常，RS485網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線(xiàn)作為傳輸媒體。平衡雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，只有在20kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般來(lái)說(shuō)，15米長(zhǎng)雙絞線(xiàn)的最大傳輸速率僅為1Mb/s。這里需要注意的是，并不是所有的RS485收發(fā)器都能夠支持高達(dá)10Mb/s的通信速率。如果采用光電隔離方式，則通信速率一般還會(huì)受到光電隔離器件響應(yīng)速度的限制。RS485網(wǎng)絡(luò)采用直線(xiàn)拓樸結(jié)構(gòu)，需要安裝2個(gè)終端匹配電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗(一般取值為120Ω)。在短距離或低波特率波數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可不需終端匹配電阻，即一般在300m、19200b/s以下不需終端匹配電阻。終端匹配電阻安裝在RS485傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端點(diǎn)，并聯(lián)連接在A(yíng)B引腳之間。

RS485標(biāo)準(zhǔn)通常被用作為一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、具有相當(dāng)高噪聲抑制、相對(duì)高的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)、寬共模范圍的通信平臺(tái)。同時(shí)，RS485電路具有控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在過(guò)去的20年時(shí)間里，建議性標(biāo)準(zhǔn)RS485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，被應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域，作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。目前，在我國(guó)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，RS485半雙工異步通信總線(xiàn)也是被各個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)。但是基于在RS485總線(xiàn)上任一時(shí)刻只能存在一個(gè)主機(jī)的特點(diǎn)，它往往應(yīng)用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。8.2.2RS485總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)和通信方式

1.節(jié)點(diǎn)數(shù)

所謂節(jié)點(diǎn)數(shù)，即每個(gè)RS485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS485負(fù)載。根據(jù)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)RS485接口的輸入阻抗大于等于12kΩ，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32。為適應(yīng)更多節(jié)點(diǎn)的通信場(chǎng)合，有些芯片的輸入阻抗設(shè)計(jì)成1/2負(fù)載(≥24kΩ)、1/4負(fù)載(≥48kΩ),甚至1/8負(fù)載(≥96kΩ)，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可增加到64、128和256。表8.2為一些常見(jiàn)芯片的節(jié)點(diǎn)數(shù)。表8.2常見(jiàn)芯片的節(jié)點(diǎn)數(shù)

2.通信方式

RS485總線(xiàn)接口可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式，分別如圖8.3和圖8.4所示。半雙工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX1487、MAX3082、MAX1483等；全雙工通信的芯片有SN75179、SN75180、MAX488~MAX491、MAX1482等。

圖8.3RS485總線(xiàn)的半雙工通信

圖8.4RS485總線(xiàn)的全雙工通信8.2.3RS485總線(xiàn)收發(fā)器與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)使用RS485串行總線(xiàn)進(jìn)行多機(jī)通信時(shí)，首先必須將單片機(jī)的串行口和RS485總線(xiàn)收發(fā)器相連。為了提高整個(gè)RS485串行總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)中單片機(jī)和收發(fā)器以及總線(xiàn)的接口電路都需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。圖8.5為一個(gè)帶有總線(xiàn)保護(hù)的光電隔離的RS485通信節(jié)點(diǎn)的接口電路。

圖8.5RS485應(yīng)用典型電路在圖8.5所示的電路中，RS485的A、B引腳分別進(jìn)行上拉和下拉，以確保即使節(jié)點(diǎn)未連到總線(xiàn)上。A、B引腳上的電壓差仍能使RO輸出為高，避免因總線(xiàn)上的干擾信號(hào)引起單片機(jī)串行口的誤接收。電路中R4和R5為保護(hù)電阻，其作用是隔離本節(jié)點(diǎn)的A、B引腳和總線(xiàn)，這樣即使本節(jié)點(diǎn)的A、B引腳對(duì)地?fù)舸?，也不?huì)因此拉低總線(xiàn)，影響其他節(jié)點(diǎn)的通信。R2為匹配電阻，用于匹配線(xiàn)路阻抗，吸收反射信號(hào)。由于該電阻接入總線(xiàn)將引起驅(qū)動(dòng)器功耗增加，一般只有當(dāng)總線(xiàn)較長(zhǎng)或者環(huán)境中干擾較強(qiáng)時(shí)使用，否則可以不接。P1.0為芯片控制信號(hào)，用來(lái)控制半雙工通信中數(shù)據(jù)的收發(fā)方向。為了防止節(jié)點(diǎn)和總線(xiàn)之間的干擾，RS485與單片機(jī)之間則采用了光電隔離驅(qū)動(dòng)方式，且單片機(jī)和RS485之間的電源也需要進(jìn)行隔離。具體的供電隔離措施應(yīng)根據(jù)環(huán)境合理選擇。例如,當(dāng)應(yīng)用環(huán)境的干擾非常強(qiáng)時(shí)，可選擇兩組相互獨(dú)立的電源對(duì)單片機(jī)和總線(xiàn)收發(fā)器部分供電；如果環(huán)境干擾不是很強(qiáng)時(shí)，可將單片機(jī)系統(tǒng)供電串接一個(gè)電感后給收發(fā)器供電，接地部分可以同樣處理。另外，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)接入RS485總線(xiàn)時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器的地線(xiàn)應(yīng)該連接在一起，以避免節(jié)點(diǎn)之間的共模電壓過(guò)大導(dǎo)致收發(fā)器工作不穩(wěn)定甚至損壞。如果工作環(huán)境非常惡劣，例如戶(hù)外應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)考慮在A(yíng)、B線(xiàn)之間增加浪涌保護(hù)器件，并將器件更換為具有抗雷擊功能的器件，如SN75176。

在上述電路中，單片機(jī)復(fù)位后，P1.0為高電平，相應(yīng)的光耦不導(dǎo)通，RE/DE引腳保持為低，處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，不會(huì)對(duì)總線(xiàn)上其他節(jié)點(diǎn)的通信造成影響。RO端輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)光耦輸入到單片機(jī)的RXD引腳。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先置P1.0為低電平，相應(yīng)的光耦為高電平，此時(shí)TXD端口出現(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)光耦輸入DI，驅(qū)動(dòng)總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)串行口通信速率不是很高時(shí)，上述電路中的P1.0可以直接用TXD取代，這樣發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就不必先控制P1.0＝0，簡(jiǎn)化了控制流程。這種控制方式下串行口的最高通信速率和光耦的導(dǎo)通延遲時(shí)間有關(guān)，常見(jiàn)的光耦如TLP521、4N25和PC817等，導(dǎo)通延遲時(shí)間一般在幾微秒，能可靠地應(yīng)用于9600b/s以下的串行通信場(chǎng)合。如果需要進(jìn)行更高速率的串行通信則可選擇導(dǎo)通延遲時(shí)間更小的光耦，如6N137等。當(dāng)RS485總線(xiàn)連接的多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離很近，干擾也小，例如安裝在一個(gè)機(jī)箱之內(nèi)，這時(shí)可以不用光耦進(jìn)行隔離，直接將單片機(jī)的TXD接DI、RXD接DO，通信方向控制端口接RE/DE即可。也可用TXD控制RE/DE，但此時(shí)需先將TXD反相后再連接到RE/DE端。下面以基于單片機(jī)AT89C52的RS485總線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例來(lái)學(xué)習(xí)RS485總線(xiàn)的工作原理。8.2.4基于單片機(jī)節(jié)點(diǎn)的RS485總線(xiàn)的工作原理

1)MAX485介紹

MAX485接口芯片是MAXIM公司的一種RS485芯片,采用單一電源＋5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖8.6所示。從圖中可以看出，MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，

圖8.6MAX485芯片管腳圖內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線(xiàn)非常簡(jiǎn)單,只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可,同時(shí)在A(yíng)和B端之間加匹配電阻，一般可選120Ω的電阻。表8.3為MAX485引腳功能說(shuō)明。表8.3MAX485引腳功能說(shuō)明

2)單片機(jī)多機(jī)串行通信系統(tǒng)控制位

單片機(jī)采用串行通信來(lái)組成多機(jī)通信。當(dāng)串行口工作在方式2或方式3接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行口控制器SCON中的SM2位可以作為多機(jī)通信控制位。當(dāng)SM2＝1時(shí)，單片機(jī)串行口從串行總線(xiàn)上接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，只有當(dāng)緊接該字節(jié)的第9位數(shù)據(jù)RB8為1時(shí)，該數(shù)據(jù)字節(jié)才會(huì)被裝入SBUF，并置RI為1，表明接收數(shù)據(jù)有效，向CPU申請(qǐng)中斷。如果接收到的第9位數(shù)據(jù)為0，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)無(wú)效，不置位RI，CPU也不會(huì)做任何處理。當(dāng)SM2＝0時(shí)，單片機(jī)的串行口在接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，不管緊隨其后的第9位數(shù)據(jù)RB8是0還是1，均將該字節(jié)裝入SBUF中，并置RI為1，表明接收數(shù)據(jù)有效，向CPU申請(qǐng)中斷。利用單片機(jī)的上述特性就可以采用RS485總線(xiàn)技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主從式多機(jī)通信。

3)RS485通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和原理

在采用RS485組成的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，假設(shè)各個(gè)單片機(jī)都是通過(guò)如圖8.5所示接口電路接入網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)都可以被除該單片機(jī)之外的其他單片機(jī)收到。每個(gè)單片機(jī)都有一個(gè)唯一的地址，用于主機(jī)對(duì)其尋址。各從機(jī)上電后都將其串行口初始化為9位異步通信接口方式(方式2或者方式3)，并置多機(jī)通信位SM2為1，同時(shí)允許接收串行數(shù)據(jù)和允許串行口中斷。

通信是由主機(jī)發(fā)起。當(dāng)主機(jī)需要和某個(gè)從機(jī)通信時(shí)，首先發(fā)出尋址命令，當(dāng)從機(jī)響應(yīng)命令并給出回復(fù)后才能進(jìn)行正式的通信(見(jiàn)圖8.7)，具體通信過(guò)程描述如下。圖8.7MAX485實(shí)現(xiàn)的半雙工485總線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(1)主機(jī)首先發(fā)出尋址命令，通知從機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)行通信時(shí)，主機(jī)設(shè)置串行口的第9位數(shù)據(jù)TB8為1，發(fā)送的字節(jié)為被尋址的從機(jī)地址。由于各從機(jī)收到RB8為1，且SM2也為1，故所有從機(jī)在接收到這幀信息后，都會(huì)置中斷標(biāo)志RI為1，CPU響應(yīng)中斷接收該地址字節(jié)。

(2)各從機(jī)判斷接收的地址字節(jié)是否與本機(jī)地址一致。若和本機(jī)地址相符，則將本機(jī)的SM2置0，做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，如果需要，可按通信協(xié)議回答主機(jī)“從機(jī)已做好通信準(zhǔn)備”;若地址不符合，則從機(jī)保持SM2為1，繼續(xù)等待地址字節(jié)，不與主機(jī)進(jìn)行通信。

(3)主機(jī)發(fā)送完地址幀后或當(dāng)主機(jī)收到一個(gè)從機(jī)(只能是一個(gè))的回答后，就可以根據(jù)通信協(xié)議向從機(jī)發(fā)送命令、數(shù)據(jù)。主機(jī)發(fā)送完畢后，如果需要采集從機(jī)的數(shù)據(jù)，從機(jī)可根據(jù)通信協(xié)議再向主機(jī)回送數(shù)據(jù)、狀態(tài)和應(yīng)答信息等。在通信過(guò)程中，主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中第9位數(shù)據(jù)TB8為0，各從機(jī)收到的RB8也都為0。由于只有一個(gè)被尋址的從機(jī)SM2為0(其他從機(jī)的SM2都為1)，所以只有剛才被尋址的的從機(jī)才會(huì)收到主機(jī)后續(xù)的命令和數(shù)據(jù)，并置標(biāo)志RI為1，通知CPU對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其他的從機(jī)由于SM2保持為1，所接收的數(shù)據(jù)幀無(wú)效，對(duì)主機(jī)的通信命令或數(shù)據(jù)不會(huì)做任何反應(yīng)。這樣便實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間的一對(duì)一通信。當(dāng)一次通信結(jié)束以后，從機(jī)的SM2再次設(shè)置為1，主機(jī)可以發(fā)送新的尋址幀，開(kāi)始新的一次通信。由于是半雙工通信，所以主機(jī)發(fā)送與接收需要分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行，從機(jī)也是如此。A腳既是接收器的非反向輸入端也是驅(qū)動(dòng)器的非反向輸出端，B腳既是接收器的反向輸入端也是驅(qū)動(dòng)器的反向輸出端，DE和RE引腳電平共同控制發(fā)送和接收的切換。這在后面的硬件、軟件設(shè)計(jì)中均有體現(xiàn)。

4)基于RS485的單片機(jī)主從多機(jī)通信系統(tǒng)

圖8.8所示的是基于RS485總線(xiàn)的多機(jī)通信，由1個(gè)主機(jī)和8個(gè)從機(jī)通過(guò)RS485總線(xiàn)連接在一起。主從機(jī)之間為半雙工通信，由主機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)起和管理通信過(guò)程。主機(jī)和從機(jī)都使用P3.4的反相信號(hào)控制MAX485的收發(fā)。通信協(xié)議為：主機(jī)輪流和各從機(jī)通信，主機(jī)首先發(fā)送一個(gè)字節(jié)的地址碼來(lái)尋址從機(jī)，然后緊接著發(fā)送16字節(jié)的控制數(shù)據(jù)包。通信系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如表8.4所示。

圖8.8RS485總線(xiàn)通信電路圖表8.4通信系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)其中,校驗(yàn)和為發(fā)送機(jī)地址字段和控制數(shù)據(jù)字段按字節(jié)計(jì)算的累加和，不計(jì)進(jìn)位。主機(jī)的控制數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，被尋址的從機(jī)再向主機(jī)發(fā)送16字節(jié)的采集數(shù)據(jù)包，其結(jié)構(gòu)和控制數(shù)據(jù)包一致。至此，一次通信過(guò)程結(jié)束。不考慮數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容及數(shù)據(jù)組織的過(guò)程，使用C51編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)上述通信協(xié)議。設(shè)主機(jī)地址為0x0F，從機(jī)地址為0xF0～0xF7，所有單片機(jī)的晶振頻率均設(shè)為11.0592MHz，串行口設(shè)置為9600b/s，8位數(shù)據(jù)位，1停止位，無(wú)校驗(yàn)，收發(fā)均為中斷方式。主機(jī)和從機(jī)的程序流程圖如圖8.9和圖8.10所示。根據(jù)通信協(xié)議，在主機(jī)和從機(jī)的程序中都涉及由多個(gè)字節(jié)構(gòu)成的數(shù)據(jù)包的收發(fā)。而且為了提高程序的處理效率，收發(fā)都采用中斷方式進(jìn)行，因此在主程序和中斷服務(wù)程序之間就需要有一種同步的機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)收發(fā)的過(guò)程。

圖8.9主機(jī)程序流程圖

圖8.10從機(jī)程序流程圖以主機(jī)程序代碼為例，按協(xié)議的要求，主機(jī)首先要發(fā)送地址幀，使被尋址的從機(jī)從等待地址幀的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。緊接著主機(jī)需要發(fā)送16字節(jié)的控制數(shù)據(jù)包給被尋址從機(jī)，這16個(gè)字節(jié)的發(fā)送都是通過(guò)串行口中斷服務(wù)程序完成的?？刂茢?shù)據(jù)包發(fā)完后，主機(jī)要馬上轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，接收該從機(jī)發(fā)回的16字節(jié)的數(shù)據(jù)采集信息包，這些數(shù)據(jù)的接收也要在串行口中斷服務(wù)程序中完成。根據(jù)對(duì)通信過(guò)程的分析，從流程圖可以看出，主機(jī)中的主程序只負(fù)責(zé)尋址字節(jié)的發(fā)送，控制數(shù)據(jù)包什么時(shí)候發(fā)送完畢是由串行口中斷服務(wù)程序判斷的，沒(méi)有發(fā)送完控制數(shù)據(jù)包，就不能接收從機(jī)的數(shù)據(jù)采集信息包。為了達(dá)到此目的，主機(jī)程序中設(shè)置了一個(gè)全局變量SendOK，用于主程序和串行口之間針對(duì)是否發(fā)送完控制數(shù)據(jù)包的同步。主程序在發(fā)送尋址幀前，置SendOK＝0，表示控制數(shù)據(jù)包沒(méi)發(fā)完，然后主程序循環(huán)判斷SendOK是否為1，不為1表示數(shù)據(jù)沒(méi)發(fā)完，主程序一直等待；串行口中斷服務(wù)程序則在發(fā)生發(fā)送中斷時(shí)執(zhí)行，每次發(fā)送一個(gè)字節(jié)。如果在某次執(zhí)行時(shí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)完成控制數(shù)據(jù)包16字節(jié)的發(fā)送，則置SendOK＝1，表示已發(fā)完。接收過(guò)程也使用了同樣的機(jī)制在主程序和串行口中斷服務(wù)程序之間進(jìn)行同步。下面是采用上述協(xié)議的主機(jī)和從機(jī)的代碼。****************************************

Host.c

****************************************

#include<reg51.h>

//用宏定義設(shè)置系統(tǒng)常數(shù)，以方便統(tǒng)一修改

#defineHSTADDR0x0f

#defineSLVADDR0xf0

#defineSLVCNT8

#defineBUFSIZE16

#defineOSC

#defineBAUDRATE9600

//定義接收、發(fā)送緩沖區(qū)以及它們的操作指針、操作完成狀態(tài)位。它們是全局變量，本文件

//所有函數(shù)都可以訪(fǎng)問(wèn)。一般程序中用于控制各函數(shù)協(xié)同工作的同步標(biāo)識(shí)等都使用全局變量

unsingnedcharSendBuf［BUFSIZE］，Recvbuf［BUFSIZE］;

unsingnedcharSPtr，RPtr;

bitSendOK，RecvOK;

voidComISR(void)interrupt4//單片機(jī)串行口中斷服務(wù)程序

{

if(TI)//如果數(shù)據(jù)發(fā)送中斷

{

TI＝0;//首先清發(fā)送中斷標(biāo)志位

if(!SendOK)//如果數(shù)據(jù)幀沒(méi)發(fā)送中斷

{

TB＝0;//發(fā)送的是數(shù)據(jù)幀，因此將TB8置0

SBUF＝SendBuf［SPtr＋＋］;//取一個(gè)字節(jié)發(fā)送

if(SPtr>＝BUFSIZE)//如果讀指針已指向緩沖區(qū)尾，說(shuō)明數(shù)據(jù)發(fā)送完

SendOK＝1;//置發(fā)送完標(biāo)志為1

}

elseSendOK＝0;//執(zhí)行到此，說(shuō)明本次中斷是最后一個(gè)發(fā)送字節(jié)引

//發(fā)的，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送完標(biāo)志清0即可

}

if(RI)//如果數(shù)據(jù)接收中斷

{

RI＝0;//首先清接收中斷標(biāo)志位

RecvBuf［RPtr＋＋］＝SBUF;//讀接收的數(shù)據(jù)放入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

if(RPtr>＝16)//如讀指針數(shù)據(jù)已指向緩沖區(qū)尾，說(shuō)明數(shù)據(jù)收完

RecvOK＝1;//置接收完標(biāo)志為1

}

}

voidmian(void)

{

unsignedcharSlaveAddr，SlaveCount，i，CheckSum;

TMOD＝0x20;

//T1模式2，波特率發(fā)生器

TL1＝256－(OSC/12/16/BAUDRATE);

TH1＝256－(OSC/12/16/BAUDRATE);

TR1＝1;

SCON＝0xd8;

//串口方式3，REN＝1，TB8＝1，發(fā)地址模式

PCON|＝0x80;

//SMOD＝1

ES＝1;

EA＝1;//允許串行口中斷并開(kāi)總中斷

SlaveAddr＝SLVADDR;//設(shè)置首先被尋址的從機(jī)地址

SlaveCount＝0;

while(1)

{

//假設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)已準(zhǔn)備好，下面設(shè)置發(fā)送機(jī)地址，并計(jì)算校驗(yàn)和，填入數(shù)據(jù)包中

SendBuf［0］＝HSTADDR;

for(i＝1;i<(BUFSIZE－1);i＋＋)SendBuf［i］＝0x41＋i－1;

CheckSum＝0;

for(i＝1;i<(BUFSIZE－1);i＋＋)CheckSum＋＝SendBuf［i］;

SendBuf［BUFSIZE－1］＝CheckSum;//構(gòu)造一個(gè)模擬的數(shù)據(jù)包用于程序調(diào)試

SendOK＝0;//置發(fā)送完標(biāo)志為無(wú)效

SPtr＝0;//置發(fā)送緩沖區(qū)讀指針為0，指向第一個(gè)數(shù)據(jù)

TB8＝1;//因?yàn)橹鳈C(jī)要首先發(fā)送地址幀，因此置TB8＝1

P34＝0;//驅(qū)動(dòng)主機(jī)的MAX485處于發(fā)送狀態(tài)

SBUF＝(SlaveAddr＋SlaveCount);//發(fā)送當(dāng)前被訪(fǎng)問(wèn)的從機(jī)地址

while(!SendOK);//地址幀發(fā)完后，主機(jī)將在單片機(jī)串行口中斷調(diào)

//度下發(fā)完整個(gè)數(shù)據(jù)包，主程序等待發(fā)完標(biāo)志

RecvOK＝0;//準(zhǔn)備接受從機(jī)數(shù)據(jù)報(bào)，先置接收完標(biāo)志為0

RPcvOK＝0;//置接收緩沖區(qū)寫(xiě)指令為0，指向第一個(gè)位置

SM2＝0;`//僅采集從機(jī)數(shù)據(jù)，因此置多機(jī)通信為0

P34＝1;//將主機(jī)RS485驅(qū)動(dòng)為接收方式

while(!RecvOK);//數(shù)據(jù)的接收在中斷服務(wù)程序中完成，主程序只需

//要等待其置接收完標(biāo)志為有效即可

/*…*///此處省略“處理接收到的數(shù)據(jù)”的過(guò)程

SlaveCount＋＋;//計(jì)算下一個(gè)從機(jī)地址，循環(huán)訪(fǎng)問(wèn)8個(gè)從機(jī)

if(SlaveCount＝＝SLVCNT)SlaveCount＝0;

}

}****************************************

Slave.c

****************************************

#include<reg51.h>

//用宏定義設(shè)置系統(tǒng)常數(shù)，以方便統(tǒng)一修改

#defineHSTADDR0x0f

#defineSLVADDR0xf0

#defineSLVCNT8

#defineBUFSIZE16

#defineOSC

#defineBAUDRATE9600

//定義接收、發(fā)送緩沖區(qū)以及它們的操作指針、操作完成狀態(tài)位。它們是全局變量，本文件

//所有函數(shù)都可以訪(fǎng)問(wèn)。一般程序中用于控制各函數(shù)協(xié)同工作的同步標(biāo)識(shí)等都使用全局變量

unsingnedcharSendBuf［BUFSIZE］，Recvbuf［BUFSIZE］;

unsingnedcharSPtr，RPtr;

unsingnedcharRecvAddr;

bitSendOK，RecvOK;

voidComISR(void)interrupt4//單片機(jī)串行口中斷服務(wù)程序

{

if(TI)//如果數(shù)據(jù)發(fā)送中斷

{

TI＝0;//首先清發(fā)送中斷標(biāo)志位

if(!SendOK)//如果數(shù)據(jù)幀沒(méi)發(fā)送中斷

{

SBUF＝SendBuf［SPtr＋＋］;//從緩沖區(qū)取一個(gè)字節(jié)發(fā)送

if(SPtr>＝BUFSIZE)

SendOK＝1;//如果數(shù)據(jù)已發(fā)生完，置發(fā)送完標(biāo)志為1

}

}

if(RI)//如果數(shù)據(jù)接收中斷

{

RI＝0;//首先清接收中斷標(biāo)志位

if(RB8)//判斷當(dāng)前是否處于接收地址狀態(tài)

{

RecvAddr＝SBUF;//如果是，則該中斷是由主機(jī)發(fā)送地址幀引起

if(RecvAddr＝＝SLVADDR)//判斷主機(jī)是否尋址本機(jī)

SM2＝0;//是尋址本機(jī)，置多機(jī)通信位無(wú)效，準(zhǔn)備收數(shù)據(jù)

}

}

else//如果RB8無(wú)效,則中斷是由主機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)引起

{

RecBuf［RPtr＋＋］＝SBUF;//收串口數(shù)據(jù)，存入接收緩沖區(qū)

if(RPtr>＝BUFSIZE)//如果接收緩沖區(qū)已滿(mǎn)，置接收完標(biāo)志為1

RecvOK＝1;

}

}

voidmian(void)

{

unsignedchari，CheckSum;

TMOD＝0x20;//T1模式2，波特率發(fā)生器

SCON＝0xF0;//串口方式3，SM2＝1，REN＝1，準(zhǔn)備收地址

PCON|＝0x80;

TL1＝256－(OSC/12/16/BAUDRATE);

TH1＝256－(OSC/12/16/BAUDRATE);

TR1＝1;

ES＝1;

EA＝1;//允許串行口中斷并開(kāi)總中斷

while(1)

{

SM2＝1;//從機(jī)首先置多機(jī)通信控制位有效

P34＝1;//驅(qū)動(dòng)MAX485處于接收狀態(tài)，準(zhǔn)備收地址

RecvOK＝0;//接收完?duì)顟B(tài)無(wú)效

RPtr＝0;//清空接收緩沖區(qū)

while(!RecvOK)；//等待主機(jī)完成發(fā)送地址＋數(shù)據(jù)的過(guò)程

/*…*///此處省略“處理接收到的數(shù)據(jù)”的過(guò)程

/*…*///此處省略“準(zhǔn)備待發(fā)送數(shù)據(jù)”的過(guò)程

TB8＝0;//從機(jī)接收完主機(jī)數(shù)據(jù)后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)

P34＝0;//驅(qū)動(dòng)MAX485處于發(fā)送狀態(tài)

SendBuf［0］＝SLVADDR;//模擬發(fā)送主機(jī)的數(shù)據(jù)采集/控制包供調(diào)試

for(i＝1;i<15;i＋＋)SendBuf［i］＝0x61＋i－1;

CheckSum＝0;

for(i＝0;i<15;i＋＋)CheckSum＋＝SendBuf［i］;

SendBuf［15］＝CheckSum;

//裝配數(shù)據(jù)并計(jì)算校驗(yàn)和

SendOK＝0;

//發(fā)送完標(biāo)志無(wú)效

SPtr＝0;//發(fā)送指針指向第一個(gè)字節(jié)

TI＝1;//置TI＝1，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序

while(!SendOK);//數(shù)據(jù)報(bào)由中斷服務(wù)程序調(diào)度發(fā)送

//等發(fā)送完標(biāo)志有效后，再等待下一次被尋址

}

}

串行外設(shè)接口(SerialPeripheralInterface，SPI)是Motorola公司提出的一種全雙工同步串行外設(shè)接口，允許單片機(jī)等微控制器與各種外部設(shè)備以同步串行方式進(jìn)行信息交換。由于SPI總線(xiàn)一共只需3～4條數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線(xiàn)功能的各種I/O器件進(jìn)行連接，8.3SPI總線(xiàn)而擴(kuò)展并行總線(xiàn)則需要8條數(shù)據(jù)線(xiàn)、8～16條地址線(xiàn)、2～3條控制線(xiàn)，因此采用SPI總線(xiàn)接口可以簡(jiǎn)化整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，節(jié)省更多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線(xiàn)，并提高了系統(tǒng)的可靠性。8.3.1SPI總線(xiàn)的工作原理

Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)微控制器(MCU)都配有SPI硬件接口。SPI用于CPU與各種外圍設(shè)備器件進(jìn)行全雙工同步串行通信。這些外圍器件可以是簡(jiǎn)單的TTL移位寄存器、復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)或其他的MCU。SPI只需4條線(xiàn)就可以完成MCU與各種外圍器件的通信，這4條線(xiàn)是：串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCK)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)(MISO)、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線(xiàn)(MOSI)、低電平有效從機(jī)選擇線(xiàn)(CS)。在大多數(shù)場(chǎng)合，使用1個(gè)MCU作為主控制器，以控制與一個(gè)或多個(gè)外圍器件進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與交換。SPI總線(xiàn)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖8.11所示，該系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)、n個(gè)外圍設(shè)備和一個(gè)作為從機(jī)的控制器組成。線(xiàn)路連接的特點(diǎn)：主控制器與外圍設(shè)備的同名端相連，串行時(shí)鐘SCLK用于同步SPI總線(xiàn)的MOSI和MISO傳輸信號(hào)，每個(gè)外圍設(shè)備或從控制器都有片選信號(hào)，主控制器通過(guò)譯碼器來(lái)分時(shí)選通外圍設(shè)備。系統(tǒng)中存在多個(gè)控制器時(shí)，應(yīng)明確其主從地位，在某一時(shí)刻只能有一個(gè)控制器為主機(jī)，其他均為從機(jī)。SPI工作時(shí)，主機(jī)的移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳(MOSI)輸出(高位在前)，同時(shí)從輸入引腳(MISO)接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器(高位在前)。完成一個(gè)字節(jié)發(fā)送后，通過(guò)片選信號(hào)，可以從另一個(gè)外圍設(shè)備接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。

圖8.11SPI總線(xiàn)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖

SPI總線(xiàn)的主要特點(diǎn)：

①全雙工三線(xiàn)同步傳送；

②可設(shè)置為主機(jī)或從機(jī)工作方式；

③可控制串行時(shí)鐘的相位和極性；

④具有結(jié)束發(fā)送中斷標(biāo)志和寫(xiě)沖突保護(hù)標(biāo)志；

⑤主機(jī)方式時(shí)，通信速率可以由編程設(shè)置為4種，最高可達(dá)1.05Mb/s；從機(jī)方式時(shí)，通信速率由串行通信時(shí)鐘(SCLK)決定，最高可達(dá)2.1Mb/s；

⑥有多主機(jī)方式出錯(cuò)保護(hù)，防止多個(gè)MCU同時(shí)成為串行總線(xiàn)的主機(jī)；⑦可方便地與各種串行擴(kuò)展器件接口；

⑧對(duì)于沒(méi)有SPI接口的微處理器，可以用通用的I/O口，用軟件模擬實(shí)現(xiàn)SPI接口。8.3.2SPI總線(xiàn)的通信時(shí)序

SPI串行數(shù)據(jù)通信接口可以配置為四種不同的工作模式(SPI0，SPI1，SPI2，SPI3)，如表8.5所示。表中CPHA用來(lái)表示同步時(shí)鐘信號(hào)的相位，CPOL表示同步時(shí)鐘信號(hào)的極性。圖8.12為SPI總線(xiàn)工作的4種模式下SCLK波形示意圖，其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式(實(shí)線(xiàn)表示)。表8.5SPI串行通信接口工作模式

圖8.12SPI總線(xiàn)工作的4種模式時(shí)鐘極性(CPOL)對(duì)傳輸協(xié)議沒(méi)有重大的影響。如果CPOL＝0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL＝1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位(CPHA)能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA＝0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA＝1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。SPI總線(xiàn)4種模式的接口時(shí)序如圖8.13、圖8.14、圖8.15和圖8.16所示。

圖8.13SPI總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖(SPI0)

圖8.14SPI總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖(SPI1)

圖8.15SPI總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖(SPI2)

圖8.16SPI總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖(SPI3)對(duì)于沒(méi)有SPI接口的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和輸出，用I/O口線(xiàn)模擬SPI串口通信的方法。8.3.3硬件電路設(shè)計(jì)

MC14489是Motorola公司生產(chǎn)的5位7段LED譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，能直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)據(jù)顯示器。使用一個(gè)外接電阻RX即可控制每一段的輸出電流，有三線(xiàn)串行接口(SPI)，可直接與具有SPI接口的CPU相連，也可通過(guò)軟件模擬與沒(méi)有SPI接口的CPU配合工作。

1.工作原理

MC14489芯片由24位輸入移位寄存器、位系統(tǒng)設(shè)置寄存器、位顯示寄存器、位選開(kāi)關(guān)、段選開(kāi)關(guān)、位驅(qū)動(dòng)器、段譯碼、驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)部振蕩器等組成。在串行輸入使能腳ENABLE為低有效時(shí),串行數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)部移位寄存器，ENABLE上升沿把移位寄存器中的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)位數(shù)不同自動(dòng)將8位數(shù)據(jù)裝入系統(tǒng)設(shè)置寄存器或?qū)?4位數(shù)據(jù)裝入顯示寄存器。

2.管腳介紹

圖8.17給出了MC14489芯片的管腳圖。

管腳3：VDD為電源的正極輸入，范圍為4.5～6V。

管腳14：VSS為地。

管腳11：CLOCK為串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入端，時(shí)鐘頻率范圍為0～4MHz。

管腳12：DATAIN為串行數(shù)據(jù)輸入端。

管腳18：DATAOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端，用于將MC14489各級(jí)級(jí)聯(lián)使用。

管腳8：RX為接外部電流設(shè)置電阻，阻值范圍為700歐姆至無(wú)窮大。管腳10：ENABLE為使能信號(hào)輸入端，低電平有效。

管腳7、6、5、4、2、1、20、19：a～h為陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)電流源，若接共陰極LED數(shù)碼管，a～g驅(qū)動(dòng)7段筆劃，h驅(qū)動(dòng)小數(shù)點(diǎn)；若接發(fā)光二極管，則應(yīng)采用非譯碼方式，使用a、b、c和d共可控制20只發(fā)光管，同時(shí)h也可控制5只。在此方式下e、f與g不使用。

管腳9、13、15、16、17：BANK1~BANK5為陰極開(kāi)關(guān)，可分別接至5組數(shù)碼管或者發(fā)光管的公共陰極。

圖8.17MC14489芯片管腳圖

3.MC14489的主要特性

(1)具有SPI標(biāo)準(zhǔn)的三線(xiàn)串行接口，可直接與具有SPI接口的CPU相連，也可采用軟件模擬SPI接口，最大串行時(shí)鐘頻率可達(dá)4MHz。

(2)有一個(gè)8位的內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)置寄存器，用于設(shè)置芯片的工作模式。

(3)有一個(gè)24位顯示寄存器，該寄存器用于存放包括小數(shù)點(diǎn)段在內(nèi)的顯示代碼。

(4)除可通過(guò)一個(gè)公共的外接電阻RX來(lái)確定每一段的最大峰值電流外，還可由輸入的顯示代碼決定全部顯示段為滿(mǎn)亮顯示或半亮度顯示。

(5)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置寄存器的第零位可設(shè)置全部顯示段為全亮或全暗，上電復(fù)位后芯片自動(dòng)處于全暗的低功耗方式。

(6)芯片內(nèi)具有BCD七段譯碼電路，可顯示0~9和A~F十六進(jìn)制數(shù)，還可顯示15種其他字符。

(7)多片MC14489可級(jí)聯(lián)使用以增加顯示位數(shù)。

(8)工作電壓范圍：4.5~6V。

4.MC14489的工作時(shí)序

當(dāng)ENABLE腳處于低電平時(shí)，CLOCK腳上的一個(gè)時(shí)鐘上升沿就從DATAIN腳串行輸入一位數(shù)據(jù)到內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)置寄存器或內(nèi)部顯示寄存器。MC14489采用了所謂“位抓取”技術(shù)，在向內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)置寄存器和顯示寄存器送數(shù)時(shí)不需要引導(dǎo)碼和地址碼，而是根據(jù)一次串行輸入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)由內(nèi)部自動(dòng)確定送往哪一個(gè)寄存器。若輸入是單字節(jié)數(shù)據(jù)，將被送往系統(tǒng)設(shè)置寄存器，若輸入的是多字節(jié)數(shù)據(jù)，則將被送往顯示寄存器。串行輸入數(shù)據(jù)在MC14489內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)置寄存器中各位的作用如圖8.18所示，顯示寄存器中各位的作用如圖8.19所示。

圖8.18MC14489內(nèi)部設(shè)置寄存器中各位的作用

圖8.19MC14489顯示寄存器各位的作用圖8.20為AT89C52與MC14489的硬件連接電路。AT89C52不帶SPI串行總線(xiàn)接口，所以使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。

圖8.20AT89C52與MC14489接口設(shè)計(jì)電路原理圖

AT89C52的P1.0、P1.1和P1.2管腳分別連到MC14489的DATAIN、CLOCK和ENABLE，用來(lái)模擬SPI接口。BANK1~BANK5連接到LED的陰極,a~h連接到LED的陽(yáng)極。8.3.4軟件程序設(shè)計(jì)

以下為在5位LED上顯示“12345”的程序代碼。#include<reg52.h>

#defineucharunsignedchar

sbitDATA＝P10；//定義P1.0為DATAIN

sbitCLK＝P11；//定義P1.1為CLOCK

sbitENA＝P12；//定義P1.2為ENABLE

voidDSPCMD(ucharCMD)；//單字節(jié)命令函數(shù)，寫(xiě)入MC14489內(nèi)部設(shè)置寄存器

voidDSPDATA(ucharDSCMD，ucharDSDATA1，ucharDSDATA2)；

//多字節(jié)命令函數(shù)，寫(xiě)入MC14489顯示寄存器

voidmain()

{

DSPCMD(0xEF)；//寫(xiě)內(nèi)部設(shè)置寄存器

DSPDATA(0x81，0x23，0x45)；//在5位LED上顯示12345，滿(mǎn)亮度顯示

}

/*單字節(jié)命令函數(shù)，寫(xiě)入MC14489內(nèi)部設(shè)置寄存器*/

voidDSPCMD(ucharCMD)

{uchari；

ENA＝0；//使能MC14489

for(i＝8；i>＝1；i－－)//寫(xiě)入單字節(jié)命令

{

DATA＝CMD&0x80；

CMD＝CMD<<1；

CLK＝0；

CLK＝1；

ENA＝1；

}

}//禁止MC14489

/*多字節(jié)命令函數(shù)，寫(xiě)入MC14489顯示寄存器*/

voidDSPDATA(ucharDSCMD，ucharDSDATA1，ucharDSDATA2)

{ucharDSP，i，j；

i＝0；

ENA＝0；//使能MC14489

while(i<24)//寫(xiě)入三字節(jié)顯示數(shù)據(jù)

{

if(i<8){DSP＝DSCMD；}

elseif(i<16){DSP＝DSDATA1；}

else{DSP＝DSDATA2；}

for(j＝8；j>＝1；j－－)

{

DATA＝DSP&0x80；

DSP＝DSP<<1；

CLK＝0；

CLK＝1；

}

i＝i＋8；

}

ENA＝1；

}//禁止MC14489

目前比較流行的集中串行擴(kuò)展總線(xiàn)中，I2C(InterICBUS)總線(xiàn)以其嚴(yán)格的規(guī)范和眾多的帶I2C接口的外圍芯片而獲得廣泛應(yīng)用。I2C總線(xiàn)是Philips推出的芯片間的串行傳輸總線(xiàn),它以?xún)筛B線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。I2C總線(xiàn)采用了器件地址的硬件設(shè)置方法，通過(guò)軟件尋址完全避免了器件的片選線(xiàn)尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有最簡(jiǎn)單而靈活的擴(kuò)展方法。8.4I2C總線(xiàn)8.4.1I2C總線(xiàn)的工作原理

I2C總線(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖8.21所示。I2C總線(xiàn)的串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL必須經(jīng)過(guò)上拉電阻R接到正電源上。當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，SDA和SCL必須保持高電平。為了使總線(xiàn)上所有電路的輸出能完成“線(xiàn)與”的功能，連接到總線(xiàn)上的器件的輸出極必須為“開(kāi)漏”或“開(kāi)集”的形式，所以總線(xiàn)上需要加上拉電阻。

I2C總線(xiàn)是多主機(jī)總線(xiàn)，可以有兩個(gè)或更多的能夠控制的設(shè)備與總線(xiàn)連接。I2C總線(xiàn)器件采用硬件設(shè)置地址的方法，器件無(wú)片選線(xiàn)，減少了總線(xiàn)的數(shù)量。I2C總線(xiàn)的兩根信號(hào)線(xiàn)是數(shù)據(jù)線(xiàn)(SDA)和時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)。所有進(jìn)入I2C總線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)備都帶有I2C總線(xiàn)接口，符合I2C總線(xiàn)電氣規(guī)范特性，將外部設(shè)備的數(shù)據(jù)線(xiàn)(SDA)和時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)與I2C總線(xiàn)的SDA、SCL相連即可。各個(gè)外部的設(shè)備的供電可以不同，但是這些設(shè)備需要共地。

圖8.21I2C總線(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

I2C總線(xiàn)的串行數(shù)據(jù)傳送與一般UART的串行數(shù)據(jù)傳送相比，無(wú)論從接口電氣特性、傳送狀態(tài)管理以及程序編制特點(diǎn)都有很大的不同，了解這些特點(diǎn)十分重要。

1)I2C基本特征

(1)二線(xiàn)傳輸。I2C總線(xiàn)上所有的節(jié)點(diǎn)，如主器件(單片機(jī)、微處理器)、外圍器件、接口模塊等都連在同名端SCL(時(shí)鐘線(xiàn))和SDA(數(shù)據(jù)線(xiàn))上。

(2)系統(tǒng)中有多個(gè)主器件時(shí)，這些器件可以作為總線(xiàn)的主控制器(無(wú)中心主機(jī))。I2C總線(xiàn)工作時(shí)任何一個(gè)主器件都有可能成為主控制器。多機(jī)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的時(shí)鐘同步與總線(xiàn)仲裁都由硬件與軟件模塊自動(dòng)完成。

(3)I2C總線(xiàn)傳輸時(shí)，采用狀態(tài)碼管理方法。對(duì)于總線(xiàn)傳輸時(shí)的任何一種狀態(tài)，在狀態(tài)寄存器中都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的狀態(tài)碼，并會(huì)自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)處理程序進(jìn)行自動(dòng)處理。

(4)系統(tǒng)中的所有外圍器件和模塊采用器件地址和引腳地址的編址方法。系統(tǒng)中主控制器對(duì)任意節(jié)點(diǎn)的尋址采用純軟件的尋址方式，避免了片選的連線(xiàn)方法。系統(tǒng)中若有地址編碼沖突，可通過(guò)改變地址的引腳電平來(lái)解決。

(5)所有帶有I2C接口的外圍器件都具有應(yīng)答功能。片內(nèi)有多個(gè)單元地址時(shí)，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)都有自動(dòng)加1功能。這樣，在I2C總線(xiàn)對(duì)某一器件讀寫(xiě)多個(gè)字節(jié)時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，即準(zhǔn)備好讀寫(xiě)入口條件后，只需啟動(dòng)I2C總線(xiàn)就可以完成N個(gè)字節(jié)的讀寫(xiě)操作。

(6)I2C總線(xiàn)的電氣接口由開(kāi)漏晶體管組成，開(kāi)路輸出沒(méi)有連到電源的鉗位二極管，而連到I2C總線(xiàn)的每個(gè)器件上，其自身電源可以獨(dú)立，但須共地?？偩€(xiàn)上各個(gè)結(jié)點(diǎn)可以在系統(tǒng)帶電情況下接入或撤出。

I2C總線(xiàn)的時(shí)鐘線(xiàn)SCL和數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA都是雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)?？偩€(xiàn)備用時(shí)二者都必須保持高電平狀態(tài)，只有關(guān)閉I2C總線(xiàn)時(shí)才能使SCL鉗位在低電平。在標(biāo)準(zhǔn)I2C模式下數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)100kb/s，高速模式下可達(dá)400kb/s?？偩€(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力受總線(xiàn)電容限制，不加驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展時(shí)驅(qū)動(dòng)能力為400pF。

2)I2C總線(xiàn)信號(hào)定義

I2C總線(xiàn)通過(guò)兩線(xiàn)，即串行數(shù)據(jù)(SDA)和串行時(shí)鐘(SCL)線(xiàn)，在連接到總線(xiàn)的器件間傳遞信息。每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別(無(wú)論是微控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器或鍵盤(pán)接口)而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器(由器件的功能決定)。很明顯，LCD驅(qū)動(dòng)器只是一個(gè)接收器，而存儲(chǔ)器既可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。除了發(fā)送器和接收器外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以被看做是主機(jī)或從機(jī)(見(jiàn)表8.6)。主機(jī)是初始化總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件。此時(shí)，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)。表8.6常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)的描述術(shù)語(yǔ)描述發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)到總線(xiàn)的器件接收器從總線(xiàn)接收數(shù)據(jù)的器件主機(jī)初始化發(fā)送，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和終止發(fā)送的器件從機(jī)被主機(jī)尋址的器件多主機(jī)同時(shí)有多于一個(gè)主機(jī)嘗試控制總線(xiàn)，但不破壞報(bào)文仲裁是一個(gè)在有多個(gè)主機(jī)同時(shí)嘗試控制總線(xiàn)，但只允許其中一個(gè)控制總線(xiàn)并使報(bào)文不被破壞的過(guò)程同步兩個(gè)或多個(gè)器件同步時(shí)鐘信號(hào)的過(guò)程SDA線(xiàn)上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線(xiàn)的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變(見(jiàn)圖8.22)。

圖8.22I2C的位傳輸在I2C總線(xiàn)中唯一出現(xiàn)的是被定義為起始條件S和停止條件P如圖8.23所示的情況。起始條件(S)：當(dāng)SCL線(xiàn)是高電平時(shí)，SDA線(xiàn)從高電平向低電平切換；停止條件(P)：當(dāng)SCL線(xiàn)是高電平時(shí)，SDA線(xiàn)由低電平向高電平切換。

圖8.23I2C起始和停止條件起始條件和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生總線(xiàn)在起始條件后被認(rèn)為處于忙的狀態(tài),在停止條件的某段時(shí)間后總線(xiàn)被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。

如果產(chǎn)生重復(fù)起始條件(Sr)而不產(chǎn)生停止條件，總線(xiàn)會(huì)一直處于忙的狀態(tài)。此時(shí)的起始條件(S)和重復(fù)起始條件(Sr)在功能上是一樣的(見(jiàn)圖8.23)。

如果連接到總線(xiàn)的器件合并了必要的接口硬件，那么用它們檢測(cè)起始和停止條件十分簡(jiǎn)便。但是沒(méi)有這種接口的微控制器在每個(gè)時(shí)鐘周期至少要采樣SDA線(xiàn)兩次來(lái)判別有沒(méi)有發(fā)生電平切換。8.4.2I2C總線(xiàn)的通信時(shí)序

I2C總線(xiàn)的工作時(shí)序如圖8.24所示。發(fā)送到SDA線(xiàn)上的每個(gè)字節(jié)必須為8位。每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位(見(jiàn)圖8.24)，從機(jī)要完成一些其他功能后(例如一個(gè)內(nèi)部中斷服務(wù)程序)才能接收或發(fā)送下一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)可以使時(shí)鐘線(xiàn)SCL保持低電平迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并釋放時(shí)鐘線(xiàn)SCL后數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。

圖8.24I2C總線(xiàn)工作時(shí)序圖利用SDA線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，發(fā)送器每發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，都要求接收器發(fā)回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)(ACK)。發(fā)送器要接收應(yīng)答信號(hào)仍由主控制器的時(shí)鐘SCL控制傳送。因此主控發(fā)送器必須在接收器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)前釋放SDA線(xiàn)，使其保持高電平，以便主控制器對(duì)SDA線(xiàn)上應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。若被控制器由于某種原因無(wú)法繼續(xù)接收SDA線(xiàn)上數(shù)據(jù)時(shí)，必須向SDA線(xiàn)輸出一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)(NACK)，使SDA線(xiàn)保持高電平。主控制器如果收到非應(yīng)答信號(hào)(NACK)，就要產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)來(lái)終止SDA線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳送。

應(yīng)答信號(hào)在第9個(gè)時(shí)鐘位置上出現(xiàn)，接收器在SDA線(xiàn)上輸出低電平為應(yīng)對(duì)信號(hào)(ACK)，輸出高電平為非應(yīng)答信號(hào)(NACK)。I2C總線(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)以及應(yīng)答和非應(yīng)答信號(hào)間的關(guān)系如圖8.25所示。當(dāng)主控制器作為接收器送來(lái)的最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，也必須給被控制器發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)(NACK)。被控制器收到主控制器發(fā)來(lái)的非應(yīng)答信號(hào)(NACK)后釋放SDA線(xiàn)，以便主控制器發(fā)送停止信號(hào)來(lái)結(jié)束數(shù)據(jù)的傳送。I2C總線(xiàn)上的應(yīng)答信號(hào)是比較重要的，它決定了數(shù)據(jù)傳送是否成功，在編程時(shí)應(yīng)該著重考慮。

圖8.25I2C總線(xiàn)響應(yīng)在I2C總線(xiàn)上可以連接多個(gè)外圍器件，所有的外圍器件都有規(guī)范的器件地址。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送之前，I2C總線(xiàn)會(huì)首先發(fā)送一個(gè)字節(jié)進(jìn)行尋址。這個(gè)字節(jié)是緊跟在起始條件之后發(fā)送的，表示要通信的從器件地址。其格式定義如表8.7所示。表8.7通信從器件地址含義地址信息是7bit，占用了地址字節(jié)的高7位，可以對(duì)127個(gè)器件進(jìn)行尋址。該字節(jié)的第0bit用于表示數(shù)據(jù)的傳送方向：當(dāng)該位是高電平時(shí)，表示由從器件向主器件發(fā)送數(shù)據(jù)，即主器件對(duì)從器件進(jìn)行讀操作；當(dāng)該位為低電平時(shí)，表示由主器件向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)，即主器件對(duì)從器件進(jìn)行寫(xiě)操作。

起始條件后，總線(xiàn)中各個(gè)器件將自己的地址與主器件送到總線(xiàn)上的器件地址進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)生匹配，該器件認(rèn)為被主器件尋址。一般來(lái)說(shuō)，從器件的地址由一部分固定地址和一部分可變地址組成，而可變地址確定了在I2C總線(xiàn)上可容納的此類(lèi)器件的最多數(shù)目。8.4.3硬件電路設(shè)計(jì)

由于標(biāo)準(zhǔn)的MCS51單片機(jī)不具備I2C總線(xiàn)接口，MCS51單片機(jī)在擴(kuò)展具有I2C總線(xiàn)的芯片時(shí)可利用單片機(jī)的I/O接口與之相連，在程序中利用位操作指令和移位指令模仿I2C總線(xiàn)的操作時(shí)序編寫(xiě)相應(yīng)的程序。圖8.26是MCS51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)I2C總線(xiàn)的硬件原理圖。

圖8.26單片機(jī)實(shí)現(xiàn)I2C總線(xiàn)硬件原理圖本例的硬件電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，僅僅利用89C52的兩個(gè)通道I/O口P1.2和P1.3模擬SDA和SCL。注意,因?yàn)镮2C總線(xiàn)的電器特性，SDA和SCL均要接上拉電阻。8.4.4軟件程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)模擬I2C總線(xiàn)向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)和由從器件接收數(shù)據(jù)的程序流程圖分別如圖8.27和圖8.28所示。

圖8.27向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)

圖8.28從器件接收數(shù)據(jù)

程序如下：

#include<reg52.h>//引用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的頭文件

#include<intrins.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitSDA＝P1^2；//串行數(shù)據(jù)

sbitSCL＝P1^3；//串行時(shí)鐘

ucharidataslave_dev_adr；//從器件地址

ucharidatasendbuf［8］；//數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)

ucharidatarecivebuf［8］；//數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)

bitbdataNack；//器件壞或錯(cuò)誤標(biāo)志位

bitbdataNackFlag；//非應(yīng)答標(biāo)志位

voiddelay5us()；//延時(shí)約5μs，對(duì)于12M時(shí)鐘

voidstart(void)；//起始條件子函數(shù)

voidstop(void)；//停止條件子函數(shù)

voidack(void)；//發(fā)送應(yīng)答子函數(shù)

voidn_ack(void)；//發(fā)送非應(yīng)答子函數(shù)

voidcheckack(void)；//應(yīng)答位檢查子函數(shù)

voidsendbyte(ucharidata*ch)；//發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)子函數(shù)

voidrecbyte(ucharidata*ch)；//接收一字節(jié)子程序

voidsendnbyte(ucharidata*sla，ucharn)；//發(fā)送n字節(jié)數(shù)據(jù)子程序

voidrecnbyte(ucharidata*sla，ucharn)；//接收n字節(jié)數(shù)據(jù)子程序

/*主函數(shù)，模擬實(shí)現(xiàn)I2C總線(xiàn)的數(shù)據(jù)收發(fā)*/

voidmain(void)

{

uchari，numbyte；

numbyte＝8；/*需發(fā)送的8字節(jié)數(shù)據(jù)*/

for(i＝0；i<numbyte；i＋＋)

sendbuf［i］＝i＋0x11；

slave_dev_adr＝0x58；//從器件地址

sendnbyte(&slave_dev_adr，numbyte)；//向從器件發(fā)送存放在sendbuf［8］中的8字節(jié)數(shù)據(jù)

for(i＝0；i<10000；i＋＋)

delay5us()；

recnbyte(&slave_dev_adr，numbyte)；//由從器件接收8字節(jié)數(shù)據(jù)，存放在rbuf中

}

/*延時(shí)約5μs，對(duì)于12M時(shí)鐘*/

voiddelay5us()

{

uinti；

for(i＝0；i<5；i＋＋)

_nop_()；

}

/*起始條件子函數(shù)*/

voidstar