《單片機原理與應(yīng)用技術(shù)》課件第12章

第12章串行總線擴展技術(shù)12.1SPI總線擴展技術(shù)12.2I2C總線擴展技術(shù)

12.1SPI總線擴展技術(shù)

串行外圍設(shè)備接口SPI總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信以此交換信息，如外圍FlashRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用3～4根連接線：串行時鐘線SCK、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI(有的SPI接口芯片將主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI合為一根線)和低電平有效的從機選擇線SS。由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3～4位數(shù)據(jù)、控制線，即可實現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件接口，而擴展并行總線則需要8位數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因此，采用SPI總線接口可以簡化電路設(shè)計，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線，提高設(shè)計的可靠性。利用SPI總線可在軟件的控制下構(gòu)成各種系統(tǒng)。如一個“主MCU”與多個“從MCU”構(gòu)成的系統(tǒng)、多個“從MCU”相互連接構(gòu)成的多主機系統(tǒng)(分布式系統(tǒng))、一個“主MCU”和一個或多個“從外圍I/O器件(設(shè)備)”所構(gòu)成的系統(tǒng)等。在大多數(shù)應(yīng)用場合，可使用一個MCU作為主機來控制，并向一個或數(shù)個“從外圍I/O器件”傳送該數(shù)據(jù)。“從外圍I/O器件”只有在主機發(fā)命令時才能接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位(MSB)在前，低位(LSB)在后。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12.1所示。圖12.1SPI總線接口系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)當(dāng)一個主控機通過SPI與幾種不同的串行I/O芯片相連時，必須使用每片的允許控制端SS，這可通過MCU的一般I/O端口輸出線來實現(xiàn)。但應(yīng)該特別注意這些串行I/O芯片的輸入/輸出特性：

(1)輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸出是否有三態(tài)控制端。平時未選中芯片時，輸出端應(yīng)處于高阻態(tài)。若沒有三態(tài)控制端，則應(yīng)外加三態(tài)門。否則MCU的MISO端只能連接一個輸入芯片。

(2)輸出芯片的串行數(shù)據(jù)輸入是否有允許控制端。只有在此芯片允許時，SCK脈沖才把串行數(shù)據(jù)移入該芯片；在禁止時，SCK對芯片無影響。若沒有允許控制端，則應(yīng)在外圍用門電路對SCK進行控制，然后再加到芯片的時鐘輸入端；當(dāng)然，也可以只在SPI總線上連接一個芯片，而不再連接其他輸入或輸出芯片。主機方式傳送數(shù)據(jù)的最高速率達到5Mb/s。

對于大多數(shù)不帶SPI串行總線接口的MCS-51系列單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序略有不同，編程時要加以注意。12.1.1ADC0832模塊的設(shè)計

1.?ADC0832性能特性及基本結(jié)構(gòu)

ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADC0832具有以下特點：

●?8位分辨率；

●雙通道A/D轉(zhuǎn)換(差分輸入時為一個通道)；

●輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；

●?5V電源供電時輸入電壓為0V～5V；

●工作頻率為250?kHz，轉(zhuǎn)換時間為32μs；

●一般功耗僅為15?mW；

●?8P、14P-DIP(雙列直插)、PICC多種封裝；

●商用級芯片溫寬為0℃～70℃，工業(yè)級芯片溫寬為?+40℃～85℃。圖12.2ADC0832的引腳及功能

ADC0832與51單片機的接口如圖12.3所示，要采用四根連接線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效，并且與單片機的接口是雙向的，所以可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上分時使用，這樣就只需要三根線。圖12.3ADC0832與51單片機的接口

2.?ADC0832驅(qū)動程序的設(shè)計

如圖12.3所示，當(dāng)ADC0832的控制引腳CS、CLK、DO、DI占用了P3.2、P3.3、P3.4三個I/O口時，由于DO端和DI端在通信時并不同時有效，與單片機接口又是雙向的，所以可將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。通過時序圖12.4，可知道如何對它進行控制。圖12.4ADC0832時序圖

CS作為選通信號，從時序圖中可以看到，以CS置為低電平開始，一直到置為高電平結(jié)束。CLK提供時鐘信號，要注意CLK信號的箭頭指向，向上為上升沿有效，向下為下降沿有效。DI、DO作為數(shù)據(jù)端口。

當(dāng)ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平，并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。其選擇邏輯如表12.1所示。在第一個時鐘脈沖下沉之前DI端必須是高電平，表示起始信號。在第二、三個脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入兩位數(shù)據(jù)(SGL/Dif：單極性/差分；Odd/Even：極性)用于選擇通道功能。例如：當(dāng)兩位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時為差分輸入，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-?進行輸入；當(dāng)兩位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時為差分輸入，將CH0作為負輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+?進行輸入；當(dāng)兩位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時，只對CH0進行單通道轉(zhuǎn)換；當(dāng)兩位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉(zhuǎn)換。表12.1ADC0832多路器控制邏輯表

到第三個脈沖下降之后，DI端的輸入電平就失去了輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第四脈沖下降開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個脈沖下降DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下沉輸出DATD0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了?？梢?，在完成輸入啟動位、通道選擇之后，就開始讀出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)被送出了兩次，一次高位在前傳送，一次低位在前傳送。因此，在程序讀取兩次數(shù)據(jù)后，可以加檢驗程序來驗證數(shù)據(jù)是否被正確讀取。

ADC0832匯編語言的驅(qū)動程序如下：

NAMEADC0832

；--------------------------------------------------------------

；模塊名：ADC0832.a51

；--------------------------------------------------------------

；ADC0832與89C51接口的定義，可根據(jù)硬件連線更改

ADCS BITP3.2 ；片選端

ADCLK BITP3.3 ；時鐘端

ADDO BITP3.4 ；數(shù)據(jù)輸出端(復(fù)用)

ADDI BITP3.4 ；數(shù)據(jù)輸入端

；------------------------------------------------------------------------------

；子程序名：AD0832

；功能：讀取ADC0832的數(shù)據(jù)

；參數(shù)：B－選擇通道 ；A－獲得的A/D轉(zhuǎn)換值

；通道設(shè)置CH0CH1 極性

； 1 0+ 單極性

； 1 1 + 單極性

； 0 0+ - 差分

； 0 1- + 差分

；占用寄存器：A、B、R7、Cy

；Examp：

；MOVB,#02H ；單通道ch0

；LCALLAD0832 ；調(diào)用

；MOV30H,A ；轉(zhuǎn)換結(jié)果存30H

；------------------------------------------------------------------------------

PUBLICAD0832 ；聲明AD0832為公用子程序

?PR?AD0832SEGMENTCODE

RSEG?PR?AD0832

AD0832：SETB ADDI ；初始化通道選擇

NOP

NOP

CLR ADCS ；拉低端

NOP

NOP

SETB ADCLK ；拉高CLK端

NOP

NOP

CLR ADCLK ；拉低CLK端，形成下降沿

MOV A, B

MOV C,ACC.1 ；確定取值通道選擇

MOV ADDI,C

NOP

NOP

SETB ADCLK ；拉高CLK端

NOP

NOP

CLR ADCLK ；拉低CLK端，形成下降沿2

MOV A,B

MOV C,ACC.0 ；確定取值通道選擇

MOV ADDI,C

NOP

NOP

SETB ADCLK ；拉高CLK端

NOP

NOP

CLR ADCLK ；拉低CLK端，形成下降沿3

SETB ADDI

NOP

NOP

MOV R7,#8 ；準備送后面8個時鐘脈沖

AD_1： MOV C,ADDO ；接收數(shù)據(jù)

MOV ACC.0,C

RL A ；左移一次

SETB ADCLK

NOP

NOP

CLR ADCLK ；形成一次時鐘脈沖

NOP

NOP

DJNZ R7,AD_1 ；循環(huán)8次

MOV C,ADDO ；接收數(shù)據(jù)

MOV ACC.0,C

MOV B,A

MOV R7,#8

AD_13: MOV C,ADDO ；接收數(shù)據(jù)

MOV ACC.0,C

RR A ；左移一次

SETB ADCLK

NOP

NOP

CLR ADCLK ；形成一次時鐘脈沖

NOP

NOP

DJNZ R7,AD_13 ；循環(huán)8次

CJNE A,B,AD0832 ；數(shù)據(jù)校驗

SETB ADCS ；拉高端

CLR ADCLK ；拉低CLK端

SETB ADDO ；拉高數(shù)據(jù)端，回到初始狀態(tài)

RET

END

3.?ADC0832模塊的調(diào)用

下面舉例說明ADC0832模塊子程序的調(diào)用，其電路原理如圖12.5所示，利用LM1602顯示ADC0832采集數(shù)據(jù)的結(jié)果。為了適應(yīng)LM1602驅(qū)動模塊，對采集的數(shù)據(jù)要作一個分解和轉(zhuǎn)換成ASCII碼的處理。用Keil匯編時，要把LCD1602.a51和ADC0832.a51加入到項目中。Proteus仿真結(jié)果如圖12.5所示。圖12.5ADC0832仿真效果圖主程序清單如下，說明見注釋。

；-------------------------------------------------------------------------------------；功能：ADC0832數(shù)據(jù)采集的演示主程序

；-------------------------------------------------------------------------------------

EXTRNCODE(LCD_INITIAL)；聲明LCD1602模塊公用子程序

EXTRNCODE(LCD_PRINT_S)

EXTRNCODE(LCD_PRINT_CHAR)

EXTRNCODE(AD0832)；聲明ADC0832模塊公用子程序

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0030H20

MAIN：ACALLLCD_INITIAL ；LCM1602初始化

MOVA,#81H ；在第1行第1列顯示字符串

MOVDPTR,#TABLE ；字符串首地址放DPTR

LCALLLCD_PRINT_S ；調(diào)用顯示字符串模塊子程序

LOOP：MOVB,#02H ；單通道ch0

LCALLAD0832 ；讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

ACALLADC_CAL ；計算成相應(yīng)的電壓值

MOVA,#0C6H ；在第2行第7列開始顯示

MOVR5,#4 ；要顯示4個字符

MOVR1,#20H ；第1個字符存放的首地址為20H

LCALLLCD_PRINT_CHAR ；調(diào)用顯示字符模塊子程序

AJMPLOOP ；循環(huán)讀、計算、顯示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

；--------------------------------------------------------------------------------

；子程序名稱：ADC_CAL

；功能：讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果計算成相應(yīng)的電壓值，并將此值送LCD顯示

；計算公式：電壓的10倍?=?A

(5/255)

10?≈?A

50/256；程序中采用的這個算法簡單，但會有

；小誤差

；-------------------------------------------------------------------------------------

ADC_CAL：MOVB,#50 ；乘以50

MULAB ；乘的結(jié)果高8位在B，低8位在A

MOVA,B；只取B，相當(dāng)于除以256

MOVB,#10；由于采用的公式放大了10倍，得到 真正的電壓值要除以10

DIVAB

ADDA,#30H ；得到的個位數(shù)加30H獲得ASCII碼

MOV20H,A ；送LCD的顯示存儲區(qū)

MOVA,B ；余數(shù)為小數(shù)部分，加30H得到ASCII碼

ADDA,#30H

MOV22H,A ；送LCD的顯示存儲區(qū)

MOV21H,#'.' ；小數(shù)點的ASCII碼

MOV23H,#'v' ；“V”的ASCII碼

RET

TABLE：DB"THEVOLTIGEIS",00H ；顯示的字符串，注意：要以00H結(jié)束

END12.1.2TLC1543A/D模塊的設(shè)計

對于大多數(shù)不帶SPI串行總線接口的MCS-51系列單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序略有不同，編程時要加以注意。

以下以TLC1543A/D轉(zhuǎn)換器為例說明如何在MCS-51單片機中模擬SPI總線。

1.?TLC1543簡介

TLC1543是TI公司推出的采用SPI技術(shù)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它為20腳封裝的CMOS、10位開關(guān)電容逐次A/D逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。其封裝如圖12.6所示。圖12.6TLC1543封裝圖

A0～A10為11路模擬輸入端；

REF+?和REF-?為基準電壓正、負端；

ADDRESS為串行數(shù)據(jù)輸入端，輸入4位端口地址；

DATAOUT為A/D數(shù)據(jù)輸出端；

I/OCLOCK為數(shù)據(jù)輸入/輸出提供同步時鐘。

芯片內(nèi)部有一個14通道多路選擇器，可以選擇11路模擬輸入通道和3路內(nèi)部自測電壓中的任意一路進行測試；片內(nèi)設(shè)有采樣-保持電路，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC置高表明轉(zhuǎn)換完成。

2.?TLC1543驅(qū)動程序的設(shè)計

TLC1543具有高速(10μs轉(zhuǎn)換時間)、高精度(10位分辨率)和低噪聲的特點。

TLC1543工作時序如圖12.7所示，其工作過程分為兩個周期：訪問周期和采樣周期。

工作狀態(tài)由CS使能或禁止，工作時CS必須置低電平。CS為高電平時，I/OCLOCK、ADDRESS被禁止，同時DATAOUT為高阻狀態(tài)。當(dāng)CPU使CS變低時，TLC1543開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，I/OCLOCK、ADDRESS、DATAOUT脫離高阻狀態(tài)。隨后，CPU向ADDRESS提供四位通道地址，控制14個模擬通道選擇器從11個外部模擬輸入，或三個內(nèi)部自測電壓中選通一路送到采樣保持電路。同時，I/OCLOCK輸入時鐘時序，CPU從DATAOUT端接收前一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。I/OCLOCK從CPU接收10個時鐘長度的時鐘序列。前四個時鐘用于四位地址從ADDRESS端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后六個時鐘對模擬輸入的采樣提供控制時序。模擬輸入的采樣起始于第四個I/OCLOCK下降沿，而采樣一直持續(xù)六個I/OCLOCK周期，并一直保持到第10個I/OCLOCK下降沿。轉(zhuǎn)換過程中，CS的下降沿使DATAOUT引腳脫離高阻狀態(tài)并啟動一次I/OCLOCK工作過程，CS的上升沿將終止這個過程并在規(guī)定的延遲時間內(nèi)使DATAOUT引腳返回到高阻狀態(tài)，經(jīng)過兩個系統(tǒng)時鐘周期后禁止I/OCLOCK和ADDRESS端。圖12.7TLC1543時序圖匯編語言的TLC1543的驅(qū)動程序如下：

NAMETLC1543

；定義TLC1543轉(zhuǎn)換芯片的各引腳，根據(jù)硬件設(shè)計定義，如下

ADCS BIT P3.2 ；片選端(0選中)

ADDout BIT P3.0 ；數(shù)據(jù)端，SPI數(shù)據(jù)輸出線

ADaddr BIT P3.1 ；地址引腳，仿SPI數(shù)據(jù)輸入線

ADclk BIT P3.3 ；時鐘，仿SPI的時鐘線

EOC BIT P3.4 ；ADC轉(zhuǎn)換完成標志(高電平為結(jié)束)

；-----------------------------------------------------------------------

；子程序名：READ_TLC1543

；功能描述：串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543的驅(qū)動程序

；參數(shù)：R2輸入存通道號，如10H，為A1輸入通道號，即00010000B，高四位為地址；

；R0存AD結(jié)果的高2位；R1存AD結(jié)果的低8位

；-----------------------------------------------------------------------

PUBLICREAD_TLC1543 ；聲明AD0832為公用子程序

?PR?READ_TLC1543SEGMENTCODE

RSEG?PR?READ_TLC1543

READ_TLC1543:

；定義TLC1543轉(zhuǎn)換芯片的各引腳，根據(jù)硬件設(shè)計定義，如下

ADCS EQU P3.2 ；片選端(0選中)

ADDout EQU P3.0 ；數(shù)據(jù)端,SPI數(shù)據(jù)輸出線

ADaddr EQU P3.1 ；地址引腳，仿SPI數(shù)據(jù)輸入線

ADclk EQU P3.3 ；時鐘，仿SPI的時鐘線

EOC EQU P3.4 ；ADC轉(zhuǎn)換完成標志(高電平為結(jié)束)

；-----------------------------------------------------------------------

；子程序名：ADconver

；功能描述：串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543的驅(qū)動程序；參數(shù)：R2輸入存通道號，如10H，為A1輸入通道號，即00010000B，高四位為地址；

；R0存AD結(jié)果的高2位；R1存AD結(jié)果的低8位

；-----------------------------------------------------------------------

ADconver：

CLR ADclk ；前四位地址是ADclk的上升沿有效，這里先將其變成低

CLR ADCS

MOV A,R2 ；R2做通道號，轉(zhuǎn)換前輸入

；送出地址信號

MOV R7,#4 ；設(shè)置地址位數(shù)，再由下面循環(huán)送給MCU

address1：

RLC A ；地址按位循環(huán)移入進位位CY(標號為C)

MOV ADaddr,C；地址從進位位移入TLC1543的串行地址引腳

SETB ADclk ；拉高CLK端

CLR ADclk ；拉低CLK端，形成時鐘脈沖

DJNZ R7,address1

；補充6個脈沖，選中通道后A/D的電容列陣需要充電

MOV R7,#6 ；補充6個脈沖

LOOP1：

SETB ADclk ；拉高CLK端

CLR ADclk ；拉低CLK端，形成時鐘脈沖

DJNZ R7,LOOP1

；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

SETB ADCS

JNB EOC,$ ；判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束

CLR ADCS

；取高2位到R0

SETB ADDout ；拉高數(shù)據(jù)端，回到初始狀態(tài)

SETB ADclk ；拉高CLK端

MOV C,ADDout ；接收數(shù)據(jù)

MOV ACC.0,C

RL A ；左移一次

CLR ADclk ；拉低CLK端，形成下降沿

SETB ADDout ；拉高數(shù)據(jù)端，回到初始狀態(tài)

SETB ADclk ；拉高CLK端

MOV C,ADDout ；接收第二位數(shù)據(jù)(給R0的)

MOV ACC.0,C

CLR ADclk ；拉低CLK端，形成第二個脈沖的下降沿

ANL A,#00000011B ；清除A的高六位

MOV R0,A ；保存數(shù)據(jù)

MOV R7,#8 ；準備送后8個時鐘脈沖

LOOP2： ；接收8位數(shù)據(jù)到R1，注釋同上段程序

SETB ADDout

SETB ADclk

MOV C,ADDout

MOV ACC.0,C

RL A

CLR ADclk

DJNZ R7,LOOP2

SETB EOC

SETB ADCS

MOV R1,A

RET

END按圖12.8所示電路，編寫的TLC1543模塊演示主程序的清單如下，其Proteus的仿真結(jié)果如圖12.8所示，為了減少編程，數(shù)據(jù)顯示采用了BCD碼數(shù)碼管。；TLC1543模塊演示主程序

EXTRN CODE(READ_TLC1543)；聲明TLC1543模塊公用子程序

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0030H

MAIN：MOVR2,#10H ；選通道1，即00010000，高四位為地址

LCALLREAD_TLC1543 ；調(diào)用AD轉(zhuǎn)換，結(jié)果高2位在R0， 低8位在R1

MOV P0,R0 ；送BCD數(shù)碼管顯示

MOV P2,R1

MOV R7,#0 ；延時

DJNZ R7,$

AJMP MAIN ；循環(huán)

END采用C語言的TLC1543驅(qū)動程序如下：

/*------------------------------------------------------------

功能：TLC1543的驅(qū)動程序

------------------------------------------------------------*/

#ifndef_TLC1543_H_

#define_TLC1543_H_

#include<reg52.h>

#include<INTRINS.H>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

/*------------------------------------------------------------

TLC1543與單片接口的引腳定義

------------------------------------------------------------*/

sbitCLOCK=P3^3；

sbitADDRESS=P3^1；

sbitDATAOUT=P3^0；

sbitCS=P3^2；

sbitOEC=P3^4；

/*------------------------------------------------------------

功能：從TLC1543讀取轉(zhuǎn)換值程序

參數(shù)：port－TLC1543的模擬輸入通道號

返回：返回轉(zhuǎn)換的結(jié)果，為2個字節(jié)

------------------------------------------------------------*/

uintTLC1543_Read(ucharport)

{

uintdataad；

uintdatai；

uchardataal=0,ah=0；

CLOCK=0；

CS=0；

port<<=4；

for(i=0；i<4；i++) //把通道號輸入TLC1543

{

ADDRESS=(bit)(port&0x80)；

CLOCK=1；

CLOCK=0；

port<<=1；

}

for(i=0；i<6；i++) //填充6個CLOCK

{

CLOCK=1；CLOCK=0；

}

CS=1；

while(OED==0)；

CS=0； //進行A/D轉(zhuǎn)換

_nop_()；_nop_()；

for(i=0；i<2；i++) //讀取D9、D8，存入高8位

{

DATAOUT=1；

CLOCK=1；

ah<<=1；

if(DATAOUT==1)

{

ah|=0x01；

}

CLOCK=0；

}

for(i=0；i<8；i++) //取D7～D0，存入低8位

{

DATAOUT=1；

CLOCK=1；

al<<=1；

if(DATAOUT==1)

{

al|=0x01；

}

CLOCK=0；

}

CS=1；

ad=ah*256+al； //得到AD值

return(ad)；

}

#endif按以上驅(qū)動程序，編寫TLC1543的演示程序如下：

#include"TLC1543.h"

main()

{

uintx；

while(1)

{

x=TLC1543_Read(1)；

P0=x/256；

P2=x%256；

}

}圖12.8TLC1543仿真效果圖12.1.3LTC1456D/A模塊的設(shè)計

1.?LTC1456簡介

LTC1456是LINEAR公司生產(chǎn)的一個12位的DAC轉(zhuǎn)換芯片。它是一個單電源供電，軌對軌(rail-to-rail，輸入和輸出電壓范圍達到電源電壓范圍)電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換芯片。它采用三線的串行擴展接口。LTC1456有一個內(nèi)部2.048V的參考電源，可輸出4.095V滿程電壓。LTC1456的工作電壓在4.5?V～5.5V，功耗為2.2mW，常采用8腳SO-8封裝(如圖12.9所示)。圖12.9LTC1456引腳圖其中：

CLK：同步時鐘端。

DIN：數(shù)據(jù)輸入端。同步時鐘上升沿時，數(shù)據(jù)進入移位寄存器。

CS/LD：片選和數(shù)據(jù)輸入端。低電平時時鐘信號使能，數(shù)據(jù)可以進入移位寄存器；高電平時，數(shù)據(jù)從移位寄存器進入DAC寄存器，從而更新DAC的轉(zhuǎn)換輸出，CLK也在內(nèi)部停止。

DOUT：移位寄存器輸出端。

GND：接地端。

CLR：輸入清零端。低電平時將清零內(nèi)部移位和DAC寄存器的值，正常時應(yīng)為高電平。

VOUT：轉(zhuǎn)換電壓輸出端。

VCC：電源，4.5?V～5.5V。

2.?LTC1456驅(qū)動程序

LTC1456與51單片機的接口如圖12.10所示，其時序如圖12.11所示。圖12.10LTC1456與51單片機的接口圖12.11LTC1456的時序根據(jù)時序編寫的驅(qū)動程序如下：

/*------------------------------------------------------------功能：LTC1456的驅(qū)動程序

------------------------------------------------------------*/

#include"reg51.h"

sbitDQ=P1^0；

sbitCK=P1^1；

sbitCS=P1^2；

/*------------------------------------------------------------功能：LTC1456的驅(qū)動程序

------------------------------------------------------------*/

voidLTC1456_SendDat(unsignedintdat)

{

unsignedchari=0；

CS=1；

CS=0；

for(i=12；i>0；i--){

DQ=dat&0x80；

CK=1；

dat<<=1；

CK=0；

}

CS=1；

CS=0；

}

Voidmain()//主程序

{

unsignedintk=0；

CK=0；

CS=0；

while(1)

{

LTC1456_SendDat(k)；

k++；

}

}圖12.12LTC1456仿真效果圖 12.2I2C總線擴展技術(shù)

12.2.1I2C總線的協(xié)議簡介

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，一個系統(tǒng)中有眾多的IC需要進行相互之間以及與外界的通信。為了提高硬件的效率和簡化電路的設(shè)計，PHILIPS公司開發(fā)了一種用于內(nèi)部IC控制的簡單雙向兩線串行總線IIC(InterIntergratedCircuit，又可縮寫為I2C)。PHILIPS及其他廠商提供了種類非常豐富的總線兼容芯片。作為一個專利的控制總線，I2C實際上已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標準之一?；镜腎2C總線規(guī)范于20世紀80年代發(fā)布，其數(shù)據(jù)傳輸速率在標準模式下為100Kb/s，但隨著數(shù)據(jù)傳輸速率和應(yīng)用功能的迅速增加，I2C總線也增強為快速模式(400Kb/s)甚至高速模式(3.4Mb/s)，I2C總線始終和先進技術(shù)保持同步，并保持其向下兼容性。

I2C總線采用二線制傳輸，一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL，所有I2C器件都連接在同名端的SDA和SCL上，每一個器件有一個唯一的地址。

I2C總線是一個多主機總線，即總線上可以有一個或多個主機(或稱主控制器件)，總線運行由主機控制。這里所說的主機是指啟動數(shù)據(jù)的傳送(發(fā)起始信號)、發(fā)出時鐘信號、發(fā)出終止信號的器件。通常，主機由單片機或其他微處理器擔(dān)任，被主機訪問的器件叫從機(或稱從器件)，它可以是其他單片機，更多的是如A/D、D/A、LED或LCD驅(qū)動、時鐘日歷芯片、串行存儲器等擴展芯片。

I2C總線支持多主和主從兩種工作方式。多主方式即總線上可以有多個主機的工作方式。I2C總線需通過硬件和軟件仲裁主機對總線的控制權(quán)。這種方式中，由于存在仲裁總控制權(quán)問題，I2C總線的協(xié)議模擬非常困難，所以一般都采用具有I2C總線接口的單片機擔(dān)任主機。目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：PHILIPSP87LPC7XX系列，CYGNAL的C8051F0XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。在主從工作方式中，系統(tǒng)中只有一個主機，總線上的其他器件都是具有I2C總線接口的外圍從器件(稱為從機或從器件)，總線上只有主機對I2C總線對從器件的讀/寫訪問，沒有總線的競爭等問題。這種方式下，只需要單片機模擬主發(fā)送和主接收時序，就可以完成對從器件的讀寫操作(SCL時鐘信號由主機產(chǎn)生)。這種情況下，I2C總線的時序可以模擬，使I2C總線的使用不受主機必須帶I2C總線接口的限制?；谝陨峡紤]，本章將介紹這種情況下，如何模擬I2C總線的時序和程序。

在MCS-51系列單片系統(tǒng)的串行總線擴展中，經(jīng)常遇到的是以51單片機為主機，其他器件為從機的單主機系統(tǒng)，如圖12.13所示。圖12.13單主機系統(tǒng)I2C總線擴展示意圖

I2C總線主要有以下幾個方面的特點：

(1)總線驅(qū)動能力強。I2C總線的外圍擴展器件都是CMOS型的，功耗極低，因此總線上擴展的節(jié)點數(shù)不是由電流負載能力決定，而是由電容負載確定。通常I2C總線負載能力為400pF，據(jù)此可計算出總線長度及所帶器件的數(shù)量?？偩€上擴展的I2C器件的數(shù)量主要受到器件地址的限制。

(2)任何一個I2C總線接口的外圍器件，不論其功能差別有多大，都是通過串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時鐘線(SCL)連接到I2C總線上的。這一特點給用戶在設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時帶來了極大的方便，用戶不必理解每個I2C總線接口器件的功能如何，只要將器件的SDA和SCL引腳連到I2C總線上，然后對該器件模塊進行獨立的電路設(shè)計，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力，符合EMC(ElectromagneticCompatibility，電磁兼容性)設(shè)計原則。

(3)在主從系統(tǒng)中，每個I2C總線接口芯片具有唯一的器件地址，各器件之間互不干擾，相互之間不能進行通信。主機與I2C器件之間的通信是通過唯一的器件地址來實現(xiàn)的。

(4)?PHILIPS公司在推出I2C總線的同時為I2C總線制定了嚴格的規(guī)范。如接口的電氣特性、信號時序、信號傳輸?shù)亩x等，這就決定了I2C總線軟件編寫的一致性。

I2C總線器件必須是漏極或集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖12.14所示，即SDA和SCL接線上必須加上拉電阻RP，其阻值可參考有關(guān)數(shù)據(jù)手冊，通常選(5～10)kΩ。圖12.14I2C總線接口的電路圖12.2.2I2C的尋址方式

所有掛到I2C總線的外圍器件，各自都有一個唯一確定的地址。任何時刻總線上只有一個主控器件對總線實行控制權(quán)，分時實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳送。I2C總線上所有外圍器件都有規(guī)范的器件地址，器件地址由7位組成，它和1位方向位(R/W)構(gòu)成了I2C總線器件的尋址字節(jié)SLA，格式如下：(1)?DA7～DA4這4位器件地址是I2C總線器件固有的地址編碼，器件出廠時就已給定(如表12.2所示)，用戶不能自行設(shè)置。

(2)?A2A1A03位引腳地址用于相同地址器件的識別。若I2C總線上掛有相同地址的器件，或同時掛有多片相同器件，則可用硬件連接方式對3位引腳A2A1A0接VCC或接地，形成器件從地址(SLA)。

(3)?R/W為數(shù)據(jù)傳送方向。R/W=1時，R/W=0主機接收(讀)；=?0時，主機發(fā)送(寫)。12.2.3I2C總線時序

I2C總線一次完整的數(shù)據(jù)傳送過程包括起始(S)、發(fā)送尋址字節(jié)(SLAR/W)、應(yīng)答、發(fā)送數(shù)據(jù)、應(yīng)答、…、發(fā)送數(shù)據(jù)、應(yīng)答和終止(P)，其時序如圖12.15所示。

在I2C總線啟動后或應(yīng)答信號后的第1～8個時鐘脈沖對應(yīng)于一個字節(jié)的8位數(shù)據(jù)傳送。脈沖高電平期間，數(shù)據(jù)傳送，低電平期間為數(shù)據(jù)準備，允許總線上數(shù)據(jù)電平變換。

一旦I2C總線啟動后，傳送的字節(jié)多少沒有限制，只要求每傳送一個字節(jié)后，對方回應(yīng)一個應(yīng)答位。發(fā)送時，最先發(fā)送的是數(shù)據(jù)的最高位。每次傳送開始有起始信號，結(jié)束時有停止信號。每傳送完一個字節(jié)，都可以通過對時鐘線的控制，使傳送暫停。

I2C總線為同步傳輸總線，其信號完全與時鐘同步。I2C總線上與數(shù)據(jù)傳送有關(guān)的典型信號包括起始信號(S)、停止信號(P)、應(yīng)答位信號(低電平A)和非應(yīng)答信號(高電平A)，如圖12.16所示。圖12.15I2C總線時序圖圖12.16I2C總線數(shù)據(jù)傳送典型信號時序圖起始信號(S)：當(dāng)時鐘SCL為高電平，數(shù)據(jù)線SDA出現(xiàn)由高到低的電平變化時，啟動I2C總線。

停止信號(P)：當(dāng)時鐘SCL為高電平，數(shù)據(jù)線SDA出現(xiàn)由低到高的電平變化時，停止I2C總線數(shù)據(jù)傳送。

應(yīng)答位信號(A)：I2C總線上第9個時鐘脈沖對應(yīng)于應(yīng)答位。相應(yīng)數(shù)據(jù)線上低電平時為“應(yīng)答”信號，高電平時為“非應(yīng)答”信號。12.2.4虛擬I2C總線匯編語言程序

1．典型信號模擬子程序

I2C總線上與數(shù)據(jù)傳送有關(guān)的典型信號包括起始信號(S)、停止信號(P)、應(yīng)答位信號(低電平)和非應(yīng)答信號(高電平A)。虛擬I2C總線的編程首先要根據(jù)這幾個典型信號的時序(如圖12.16所示)，編制以下子程序：

(1)啟動信號START；

(2)終止信號STOP；

(3)發(fā)送應(yīng)答位()MACK；

(4)發(fā)送非應(yīng)答位(A)MNACK；

(5)檢查應(yīng)答位CACK。

2．?dāng)?shù)據(jù)傳送通用子程序

數(shù)據(jù)傳送通用子程序是應(yīng)用典型信號模擬子程序(起始、終止、應(yīng)答和檢查應(yīng)答)，并按I2C總線數(shù)據(jù)傳送時序要求編制的以下子程序：

(1)發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)子程序WRBYT；

(2)接收一字節(jié)數(shù)據(jù)子程序RDBYT；

(3)發(fā)送N個字節(jié)數(shù)據(jù)子程序IWRNBYTE；

(4)接收N個字節(jié)數(shù)據(jù)子程序IRDNBYTE。其中(3)、(4)兩個子程序要按以下要求編程：

發(fā)送N個字節(jié)數(shù)據(jù)子程序WRNBYTE按照I2C總線數(shù)據(jù)傳送時序要求，一次完整的數(shù)據(jù)發(fā)送過程應(yīng)包括起始(S)、發(fā)送尋址字節(jié)(SLAR/W)、應(yīng)答(A)、發(fā)送數(shù)據(jù)(data)、應(yīng)答、…、發(fā)送數(shù)據(jù)、應(yīng)答和終止(P)，其格式如下：其中，陰影部分由主器件發(fā)送，從器件接收；非陰影部分由從器件發(fā)送，主器件接收。接收N個字節(jié)數(shù)據(jù)子程序IRDNBYTE按照I2C總線數(shù)據(jù)傳送時序要求，接收N個字節(jié)數(shù)據(jù)應(yīng)按下列格式編程：其中，陰影部分由主器件發(fā)送，從器件接收；非陰影部分由從器件發(fā)送，主器件接收。全部虛擬I2C總線模塊程序VIIC.a51的清單如下：

；--------------------------------------------------------------

；模塊名：VIIC.a51

；功能：虛擬IIC總線

；--------------------------------------------------------------

；IIC總線與89C51接口的定義(可根據(jù)電路原理圖修改)：

SDABITP3.2

SCLBITP3.1

ACKBIT08H ；為調(diào)試/測試位，ACK為0時表示無器件應(yīng)答

MTDEQU30H ；需寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)存放在51內(nèi)部RAM單元的首地址

MRDEQU40H ；從設(shè)備讀出的數(shù)據(jù)存放在51內(nèi)部RAM單元的首地址

SLA DATA 50H ；器件從地址存儲單元(從地址是指設(shè)備地址)

SUBADATA51H ；器件子地址存儲單元(子地址是指設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)地址)

NUMBYTEDATA52H；讀/寫的字節(jié)數(shù)存儲單元

；啟動I2C總線子程序

START：SETBSDA

NOP

SETBSCL ；起始條件建立時間大于4.7μs

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSDA

NOP ；起始條件鎖定時間大于4μs

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSCL ；鉗住總線，準備發(fā)數(shù)據(jù)

NOP

RET

；停止IIC總線子程序

STOP： CLRSDA

NOP

SETBSCL ；發(fā)送停止條件的時鐘信號

NOP ；結(jié)束總線時間大于4μs

NOP

NOP

NOP

NOP

SETBSDA ；停止總線

NOP ；保證一個終止信號和起始信號的空閑時間大于4.7μs

NOP

NOP

NOP

RET

；發(fā)送應(yīng)答信號子程序

MACK：CLRSDA ；將SDA置0

NOP

NOP

SETBSCL

NOP；保持數(shù)據(jù)時間，即SCL為高電平時大于4.7μs

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSCL

NOP

NOP

RET

；發(fā)送非應(yīng)答信號

MNACK：SETBSDA ；將SDA置1

NOP

NOP

SETBSCL

NOP

NOP ；保持數(shù)據(jù)時間，即SCL為高電平時大于4.7μs

NOP

NOP

NOP

CLRSCL

NOP

NOP

RET；檢查應(yīng)答位子程序

；返回值，ACK=1時表示有應(yīng)答

CACK：SETBSDA

NOP

NOP

SETBSCL

CLRACK

NOP

NOP

MOVC,SDA

JC CEND

SETBACK ；判斷應(yīng)答位

CEND：NOP

CLRSCL

NOP

RET；發(fā)送一個字節(jié)子程序

；字節(jié)數(shù)據(jù)放入ACC

；每發(fā)送一字節(jié)要調(diào)用一次CACK子程序，取應(yīng)答位

WRBYTE：MOV R0,#08H

WLP： RLC A ；取數(shù)據(jù)位

JC WR1

SJMP WR0 ；判斷數(shù)據(jù)位

WLP1：DJNZ R0,WLP

NOP

RET

WR1： SETBSDA ；發(fā)送1

NOP

SETBSCL

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSCL

SJMPWLP1

WR0： CLRSDA ；發(fā)送0

NOP

SETBSCL

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSCL

SJMPWLP1；讀取一個字節(jié)子程序

；讀出的值在ACC

；每取一字節(jié)要發(fā)送一個應(yīng)答/非應(yīng)答信號

RDBYTE：MOVR0,#08H

RLP： SETBSDA

NOP

SETBSCL ；時鐘線為高，接收數(shù)據(jù)位

NOP

NOP

MOVC,SDA；讀取數(shù)據(jù)位

MOVA,R2

CLRSCL ；將SCL拉低，時間大于4.7μs

RLCA ；進行數(shù)據(jù)位的處理

MOVR2,A

NOP

NOP

NOP

DJNZR0,RLP；沒到8位，再來一次

RET；----------------------------------------------------------------------------

；子程序名：IWRNBYTE

；功能： 向器件指定子地址寫N個數(shù)據(jù)

；入口參數(shù):SLA—器件從地址(從地址是指設(shè)備地址)

；SUBA—器件子地址(子地址是指設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)地址)

；MTD—51內(nèi)部RAM發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址

；NUMBYTE—發(fā)送字節(jié)數(shù)

；占用資源：A、R0、R1、R3、CY

；---------------------------------------------------------------------------

IWRNBYTE：MOVA,NUMBYTE

MOVR3,A

LCALLSTART ；啟動總線

MOVA,SLA

LCALLWRBYTE ；發(fā)送器件從地址

LCALLCACK

JNBACK,RETWRN ；無應(yīng)答則退出

MOVA,SUBA ；指定子地址

LCALLWRBYTE

LCALLCACK

MOVR1,#MTD

WRDA：MOVA,@R1

LCALLWRBYTE ；開始寫入數(shù)據(jù)

LCALLCACK

JNBACK,IWRNBYTE

INCR1

DJNZR3,WRDA ；判斷寫完沒有

RETWRN：LCALLSTOP

RET；----------------------------------------------------------------------------

；子程序名：IRDNBYTE

；功能：向器件指定子地址讀取N個數(shù)據(jù)

；入口參數(shù)：SLA—器件從地址(從地址是指設(shè)備地址)

；SUBA—器件子地址(子地址是指設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)地址)

；MRD—51內(nèi)部RAM接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址

；NUMBYTE—接收的字節(jié)數(shù)

；占用資源：A、R0、R1、R3、CY

；-----------------------------------------------------------------------------------

IRDNBYTE：MOV R3,NUMBYTE

LCALL START

MOV A,SLA

LCALL WRBYTE ；發(fā)送器件從地址

LCALL CACK

JNB ACK,RETRDN

MOV A,SUBA；指定子地址

LCALL WRBYTE

LCALL CACK

LCALLSTART；重新啟動總線

MOVA,SLA

INC A ；準備進行讀操作

LCALLWRBYTE

LCALLCACK

JNB ACK,IRDNBYTE

MOVR1,#MRD

RDN1： LCALL RDBYTE ；讀操作開始

MOV @R1,A

DJNZ R3,SACK

LCALL MNACK ；最后一字節(jié)發(fā)非應(yīng)答位

RETRDN： LCALL STOP ；并結(jié)束總線

RET

SACK： LCALL MACK

INC R1

SJMP RDN1此模塊程序提供了8位器件子地址，如果是16位的子地址器件，如AT24C256，該如何對它進行操作呢？

可采用現(xiàn)行地址讀/寫的方法：直接調(diào)用IRDBYTE和IWRBYT。

(1)指定地址讀。

先寫入16位地址：

…

MOV MTD,#suba1 ；把子地址低8位放在MTD的開頭

MOV SUBA,#subah ；對指定存儲單元進行寫

MOV SLA,#AT24C256

MOV NUMBYTE,#01H

LCALL IWRNBYTE ；指定子16位地址

再讀入字節(jié)數(shù)據(jù)：

LCALLIRDBYTE；讀取一個字節(jié)

(2)指定地址寫。把子地址的低8位放在MTD的開頭，后面的是數(shù)據(jù)，即可調(diào)用IWRNBYTE進行寫操作。

MTD區(qū)數(shù)據(jù)存放順序如下：12.2.5虛擬I2C總線C51程序

考慮到帶I2C總線的接口芯片豐富，在51單片機的實際應(yīng)用開發(fā)中大多采用C51編程，下面介紹用C語言編寫的虛擬I2C總線的程序。

頭文件程序：

#ifndef_IIC_H_

#define_IIC_H_

#include<reg52.h>

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

sbitSDA=P3^2； //模擬IIC數(shù)據(jù)傳送位

sbitSCL=P3^1； //模擬IIC時鐘控制位

/*----------------------------------------------------------------

函數(shù)名：一字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

參數(shù)：c—需發(fā)送的數(shù)據(jù)

----------------------------------------------------------------*/

voidSendByte(ucharc)；

/*---------------------------------------------------------------

函數(shù)名：讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)

返回參數(shù):無符號8位整型數(shù)uchar

----------------------------------------------------------------*/

ucharRcvByte(void)；

/*-------------------------------------------------------------