單片機技術(shù)與項目訓(xùn)練 課件 第9章 單片機串行總線通信設(shè)計

單片機串行總線通信設(shè)計第9章在單片機的通信技術(shù)中，串行通信扮演著重要的角色。除串口數(shù)據(jù)通信之外，單片機與外部的通信還有常用的I2C總線、SPI總線等，它們都是標(biāo)準(zhǔn)的串行總線通信技術(shù)，有的單片機內(nèi)部已經(jīng)包含了這些接口硬件設(shè)計。然而，也有很多芯片、設(shè)備并不具備標(biāo)準(zhǔn)的串行總線接口，而是提供了接口的協(xié)議和控制時序，需要單片機通過I/O口來模擬產(chǎn)生時序邏輯控制脈沖對這些設(shè)備進行讀/寫控制。引言目錄單片機I/O口時序控制方法1DS18B20數(shù)字溫度傳感器通信2本章小結(jié)6項目訓(xùn)練一：溫度采集系統(tǒng)設(shè)計3項目訓(xùn)練二：精準(zhǔn)數(shù)字鐘設(shè)計5行業(yè)PPT模板/hangye/DS1302時鐘芯片通信49.1單片機I/O時序控制方法9.1.1并行轉(zhuǎn)串行單片機內(nèi)部的存儲數(shù)據(jù)通常以字節(jié)為單位，而單片機與外圍設(shè)備的通信需要通過I/O口將單片機內(nèi)部的字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送出來，這就需要經(jīng)過并行到串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，把8位數(shù)據(jù)按位展開，一位接一位地把數(shù)據(jù)順序傳送出去，即把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)。在通信接口的設(shè)計中，除需要一根數(shù)據(jù)線外，通常還需要一根時鐘線（并不是必需的）作為數(shù)據(jù)的時間基準(zhǔn)。9.1.1并行轉(zhuǎn)串行圖1一種并行轉(zhuǎn)串行的時序9.1.1并行轉(zhuǎn)串行1時鐘輸出

時鐘的波形是一個方波，方波的輸出在第5章介紹過，可以用定時器來實現(xiàn)。但是這里的方波需要和數(shù)據(jù)輸出進行配合，定時器的輸出方式不適合這樣的操作。因此，可以采用延時的方式來實現(xiàn)，延時的時間根據(jù)時序參數(shù)的要求設(shè)定即可。2串行數(shù)據(jù)的輸出串行數(shù)據(jù)的輸出是重點，它是把1字節(jié)的數(shù)據(jù)變?yōu)?位的數(shù)據(jù)順序輸出，需要用到的算法如下。設(shè)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0x56，其二進制數(shù)是01010110，要把這些二進制數(shù)由低位到高位拆分出來，需要用到與運算和移位運算。算法解釋如下。（1）把數(shù)據(jù)和0x01進行與運算（2）把數(shù)據(jù)右移一位，得到00101011，再和00000001進行與算法，得到00000001，把它送到I/O口，I/O口上得到的數(shù)據(jù)為“1”。（3）以此類推，最后即可把一字節(jié)的數(shù)據(jù)按位拆開送到I/O口，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)由并行轉(zhuǎn)串行的操作。程序算法通過一條語句來實現(xiàn)：

DATA=(send_data>>i)&0x1; //i從0到7遞增9.1.1并行轉(zhuǎn)串行3合并操作把時鐘產(chǎn)生和串行數(shù)據(jù)輸出合并在一起，就可以實現(xiàn)類似圖1的時序控制要求，即先把時鐘置1（初始為0），產(chǎn)生上升沿脈沖并延時；然后做與運算和移位運算和與運算，把結(jié)果輸出并延時；最后把時鐘置0，并延時，延時的時間根據(jù)實際要求而定。主要的算法示例程序如下：for(i=0;i<8;i++){ CLK=1;//時鐘上升沿延時; DATA=(send_data>>i)&0x1; //將send_data的第i位賦DATA

延時; CLK=0; //時鐘下降沿 延時;}9.1.2串行轉(zhuǎn)并行1時鐘上升沿檢測程序中是通過while(1)來循環(huán)檢測CLK的狀態(tài)的，當(dāng)檢測到上一次的CLK的狀態(tài)clk_history為0，并且當(dāng)前的CLK狀態(tài)clk_get為1時，即認(rèn)為檢測到一個時鐘上升沿。while(1){ clk_get=CLK; //在一次while循環(huán)中，只采樣一次CLK端口

if((clk_history==0)&&(clk_get==1)) //時鐘上升沿

{...（略）//起始位檢測及有效數(shù)據(jù)的讀取

} clk_history=clk_get;}后面的起始位檢測及有效數(shù)據(jù)的讀取均在檢測到時鐘上升沿時進行。9.1.2串行轉(zhuǎn)并行2起始位檢測使用一個關(guān)鍵變量state來表示單片機程序當(dāng)前的工作狀態(tài)，當(dāng)state為0時，表示當(dāng)前處于起始位檢測狀態(tài)；當(dāng)state為1時，表示當(dāng)前處于有效數(shù)據(jù)的讀取狀態(tài)。state的初始值為0，當(dāng)檢測到CLK上升沿有效且DATA的數(shù)據(jù)為0時，認(rèn)為檢測到起始位，將state置1。9.1.2串行轉(zhuǎn)并行3有效數(shù)據(jù)讀取當(dāng)state為1時，進行有效數(shù)據(jù)的讀取。通過變量cnt來表示當(dāng)前讀取的串行數(shù)據(jù)位是接收數(shù)據(jù)data_receive的第幾位，cnt的數(shù)值為0～7。從I/O口讀進來的數(shù)據(jù)是一個接一個的二進制數(shù)，需要把它們組合到一起，形成1字節(jié)的數(shù)據(jù)，這里需要用到左移和或運算。算法原理是：在時鐘信號CLK上升沿到來時讀取一位I/O口（DATA）的數(shù)據(jù)（data_get），左移cnt（cnt初始值為0）位后，將其和存放最終結(jié)果的變量data_receive進行或運算，并將結(jié)果存放到data_receive中，依次循環(huán)執(zhí)行類似操作，便可將串行的位數(shù)據(jù)組合或1字節(jié)數(shù)據(jù)。算法實現(xiàn)如下：data_receive|=(data_get<<cnt);當(dāng)有效數(shù)據(jù)全部采集完后（CLK上升沿有效，state為1，cnt為7），將cnt置0、state置0，并將最終采集的并行數(shù)據(jù)賦給P0口顯示。9.1.2串行轉(zhuǎn)并行課堂練習(xí)

參考例9-1和例9-2,搭建一個并行轉(zhuǎn)串行和串行轉(zhuǎn)并行系統(tǒng)，并編寫單片機程序，實現(xiàn)串行通信。9.2

DS18B20數(shù)字溫度傳感器通信9.2.1DS18B20基本知識圖2DS18B20的封裝與引腳DS18B20數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件（1-Wire），具有線路簡單。體積小的特點。因此用它組成一個測溫系統(tǒng)具有線路簡單的優(yōu)點。在一根通信線上，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度傳感器。而且它輸出的是數(shù)字信號，與單片機接口連接非常方便，不需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。9.2.1DS18B20基本知識1DS18B20產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。其中的每個器件上都有獨一無二的序列號。實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。測量溫度范圍為-55～+125℃。用戶可以從9位到12位選擇其分辨率。內(nèi)部有溫度上、下限

告警設(shè)置。9.2.1DS18B20基本知識2．DS18B20的4個主要的數(shù)據(jù)部件（1）64位序列號編碼：可用來區(qū)分多個連接在同一總線上的DS18B20器件。（2）溫度數(shù)值：最高12位，用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB的形式表達，其中S為符號位，其格式如圖3所示。二進制序列中的前面5位是符號位，如果測得的溫度值大于0，那么這5位為0，只要將測得的數(shù)值乘以0.0625即可得到實際溫度；如果測得的溫度值小于0，那么這5位為1，測得的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625，這樣可得到實際溫度值。圖3

DS18B20的溫度值格式9.2.1DS18B20基本知識（3）配置寄存器。如圖4所示，該字節(jié)各位的意義：低5位一直都是1，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20是在工作模式下還是在測試模式下。在DS18B20出廠時，該位被設(shè)置為0，用戶不要改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率。圖4配置寄存器數(shù)據(jù)格式9.2.1DS18B20基本知識（4）存儲器。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的且可電擦除的EEPROM，高速暫存RAM由9字節(jié)組成，其分布如表1所示。寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位(LSByte)0溫度值高位(MSByte)1高溫限值(TH)2低溫限值(TL)3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗值8表1DS18B20的高速暫存RAM分布9.2.1DS18B20基本知識3DS18B20控制指令（1）復(fù)位。根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟。①每次讀/寫前都要對DS18B20進行復(fù)位操作。②復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令。③發(fā)送RAM指令。9.2.1DS18B20基本知識（2）寫時序voidWR_Bit(biti){DQ=0; //總線拉低，產(chǎn)生寫時序_nop_();_nop_(); //總線拉低持續(xù)時間要長于1μsDQ=i; //寫數(shù)據(jù)delayxus15(3); //延時45μs，等待DS18B20采樣讀取DQ=1; //拉高釋放總線}圖5DS18B20寫操作時序9.2.1DS18B20基本知識（3）讀時序unsignedcharRead_Bit(){unsignedcharreadb;DQ=0; //拉低總線_nop_();_nop_();DQ=1; //釋放總線_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();readb=DQ; //讀時隙產(chǎn)生7μs后讀取總線數(shù)據(jù)

delayxus15(3); //延時45μs，滿足讀時隙的時間要求

DQ=1; //釋放總線

returnreadb; //返回讀取的數(shù)據(jù)}9.2.1DS18B20基本知識圖6DS18B20讀操作時序9.2.2單片機與計算機的串行通信虛擬串口軟件VSPD圖7虛擬串口軟件界面9.3項目訓(xùn)練一：溫度采集系統(tǒng)設(shè)計9.3.1項目要求利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度的采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機，要求每秒傳送一次。計算機可以根據(jù)不同的溫度情況對單片機進行控制，從而實現(xiàn)計算機和單片機的通信與控制。要求利用Proteus仿真軟件來模擬實現(xiàn)。9.3.2項目分析溫度采集系統(tǒng)包含數(shù)字溫度傳感器DS18B20，單片機將DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機，要求每秒種傳送一次。這里的每秒可以用軟件延時來實現(xiàn)，也可以用硬件延時來實現(xiàn)，這里采用軟件延時來實現(xiàn)。單片機通過串口與計算機進行通信時，需要注意雙方串口的模式及波特率要一致，可考慮將單片機串口設(shè)置為工作方式1，波特率為2400bit/s。計算機通過串口對單片機進行控制，可以采用LED顯示出來。9.3.3原理圖設(shè)計圖8

溫度采集系統(tǒng)電路原理圖9.3.4編寫單片機與計算機串行通信的程序圖9軟件總體流程9.3.5調(diào)試程序圖10

COMPIN屬性設(shè)置打開串口調(diào)試助手，修改串口為COM1，波特率為2400bit/s，無奇偶校驗位，數(shù)據(jù)位8位，停止位為1位，如圖10所示。用Proteus打開仿真電路文件，先設(shè)置AT89C51的屬性，晶振為12MHz。打開串口COMPIN的屬性對話框，Physicalport選擇COM2，波特率為2400，校驗位為None，數(shù)據(jù)位8，停止位為l。如果需要用到波特率9600bit/s，則需要將晶振改為11.0592MHz。9.4DS1302時鐘芯片通信9.4.1DS1302基本知識DS1302是DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5V。它采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8字節(jié)的用于臨時存放數(shù)據(jù)的RAM。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。圖11

DS1302的引腳功能圖和應(yīng)用電路圖9.4.2DS1302的控制字節(jié)DS1302的控制字節(jié)如圖12所示?？刂谱止?jié)的最高有效位（位7）必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302。位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)；為1表示存取RAM數(shù)據(jù)。位5至位1指示操作單元的地址。最低有效位（位0）如果為0，則表示要進行寫操作；為1表示進行讀操作。控制字節(jié)總是從最低位開始輸出的。圖12

DS1302的控制字節(jié)9.4.3DS1302的寄存器READWRITEBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0RANGE81

H80HCH10SecondsSeconds00～5983H82H

10MinutesMinutes00～5985H84H0:241:12010HourHour1～12/0～230:AM1:PM87H86H0010DateDate1～3189H88H00010MonthMonth1～128BH8AH00000Day1～78DH8CH10YearYear00～998FH8EHWP0000000—91H90HTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS—表2DS1302的寄存器9.4.4DS1302的讀寫時序圖13

DS1302的讀寫時序9.5項目訓(xùn)練二：精準(zhǔn)數(shù)字鐘設(shè)計9.5.1項目要求與項目分析利用單片機讀取DS1302的時鐘數(shù)據(jù)，并將其時、分、秒數(shù)據(jù)顯示在8位數(shù)碼管上。單片機通過SPI接口與DS1302時鐘芯片進行通信，由于8051單片機片內(nèi)部沒有SPI硬件接口，所以需要通過I/O口模擬來實現(xiàn)SPI時序。數(shù)字鐘需要將其時、分、秒數(shù)據(jù)顯示在8位數(shù)碼管上，一般采用的是動態(tài)掃描顯示方法。9.5.2原理圖設(shè)計圖14

精準(zhǔn)數(shù)字鐘電路圖9.5.3編寫精準(zhǔn)數(shù)字鐘的程序voidDs1302Write(ucharaddr,uchardat){ ucharn; CE=0; _nop_(); SCLK=0;//將SCLK置低電平

_nop_(); CE=1;//將CE（CE）置高電平

_nop_(); for(n=0;n<8;n++)//開始傳送8位地址指令

{ DSIO=addr&0x01;//數(shù)據(jù)從低位開始傳送

addr>>=1; SCLK=1;//數(shù)據(jù)在上升沿時，DS1302讀取數(shù)據(jù)

_nop_();SCLK=0;_nop_(); } for(n=0;n<8;n++) //寫入8位數(shù)據(jù)

{ DSIO=dat&0x01; dat>>=1; SCLK=1; //數(shù)據(jù)在上升沿時，DS1302讀取數(shù)據(jù)

_nop_(); SCLK=0; _nop_(); }

CE=0; //傳送數(shù)據(jù)結(jié)束

_nop_();}1向DS1302寫指令（地址+數(shù)據(jù)）9.5.3編寫精準(zhǔn)數(shù)字鐘的程序ucharDs1302Read(ucharaddr){ ucharn,dat,dat1; CE=0; _nop_(); SCLK=0;//將SCLK置低電平

_nop_(); CE=1; //將CE（CE）置高電平

_nop_(); for(n=0;n<8;n++)//開始傳送8位地址指令

{ DSIO=addr&0x01;//數(shù)據(jù)從低位開始傳送

addr>>=1;SCLK=1; //數(shù)據(jù)在上升沿時，DS1302讀數(shù)據(jù)

nop_(); SCLK=0; //DS1302下降沿時，放置數(shù)據(jù)

_nop_(); } _nop_(); for(n=0;n<8;n++) //讀取8位數(shù)據(jù)

{ dat1=DSIO; //