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1第12章单片机的串行扩展技术1成都理工大学工程技术学院自动化工程系22第12章目录12.1单总线串行扩展12.2SPI总线串行扩展12.3Microwire总线简介12.4I2C总线的串行扩展介绍12.4.1I2C串行总线概述12.4.2I2C总线的数据传送12.5AT89S51单片机的I2C串行扩展设计12.5.1AT89S51的I2C总线扩展系统12.5.2I2C总线数据传送的模拟12.5.3I2C总线模拟通用子程序3内容概要单片机的并行总线扩展(利用三总线AB、DB、CB进行的系统扩展)已不再是单片机系统唯一的扩展结构,除并行总线扩展技术之外,近年又出现串行总线扩展技术。例如:Philips公司的I2C串行总线接口、DALLAS公司的单总线(1-Wire)接口、Motorola公司的SPI串行外设接口以及Microwire总线三线同步串行接口。本章介绍上述串行扩展接口总线的工作原理及特点,重点介绍I2C串行扩展技术,并介绍AT89S51软件模拟I2C串行接口总线时序实现I2C接口的方法。4单片机的串行扩展技术与并行扩展技术相比具有显著的优点,串行接口器件与单片机接口时需要的I/O口线很少(仅需1~4条),串行接口器件体积小,因而占用电路板的空间小,仅为并行接口器件的10%,明显减少电路板空间和成本。除上述优点,还有工作电压宽、抗干扰能力强、功耗低、数据不易丢失等特点。串行扩展技术在IC卡、智能仪器仪表以及分布式控制系统等领域得到广泛应用。4512.1单总线串行扩展单总线(也称1-Wirebus)是由美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线。只有一条数据输入/输出线DQ,总线上的所有器件都挂在DQ上,电源也通过这条信号线供给,使用一条信号线的串行扩展技术,称为单总线技术。单总线系统的各种器件,由DALLAS公司提供的专用芯片实现。每个芯片都有64位ROM,厂家对每一个芯片用激光烧写编码,其中存有16位十进制编码序列号,它是器件的地址编号,确保它挂在总线上后,可唯一被确定。56除地址编码外,片内还包含收发控制和电源存储电路,如图12-1所示。这些芯片的耗电量都很小(空闲时几微瓦,工作时几毫瓦),从总线上馈送电能到大电容中就可以工作,故一般不需另加电源。下面说明具体应用。6图12-1单总线芯片的内部结构示意图7【例12-1】图12-2所示为一个由单总线构成的分布式温度监测系统,也可用于各种狭小空间内设备的数字测温。图中多个带有单总线接口的数字温度传感器DS18B20芯片都挂在单片机的1根I/O口线(即DQ线)上。对每个DS18B20通过总线DQ寻址。DQ为漏极开路,须加上拉电阻。DS18B20封装形式多样,其中的一种封装形式见图12-2。在该单总线数字温度传感器系列中还有DS1820、DS18S20、DS1822等其他型号,工作原理与特性基本相同。具有如下特点:78(1)体积小、结构简单、使用方便。(2)每芯片都有唯一的64位光刻ROM编码,家族码为28H。(3)温度测量范围-55~+125ºC,在-10~+85ºC范围内,测量精度可达±0.5ºC。(4)分辨率为可编程的9~12位(其中包括1位符号位),对应的温度变化量分别为0.5ºC、0.25ºC、0.125ºC、0.0625ºC。(5)转换时间与分辨率有关。当设定为9位,转换时间93.75ms;设定为10位,转换时间为187.5ms;当设定11位,转换时间375ms;当设定12位,转换时间750ms。89(6)片内含有SRAM、E2PROM,单片机写入E2PROM的报警的上下限温度值和以及对DS18B20的设置,在芯片掉电的情况下不丢失。功能命令包括两类:1条启动温度转换命令(44H),5条读/写SRAM和E2PROM命令。图12-2电路如果再扩展几位(根据需要)LED数码管显示器,即可构成简易的数字温度计系统。可在图12-2的基础上,自行扩展设计。91010图12-2单总线构成的分布式温度监测系统11在1-Wire总线传输的是数字信号,数据传输均采用CRC码校验。DALLAS公司为单总线的寻址及数据的传送制定了总线协议,具体内容读者可查阅相关资料。1-Wire协议不足在传输速率稍慢,故1-Wire总线协议特别适用于测控点多、分布面广、种类复杂,而又需集中监控、统一管理的应用场合。111212.2SPI总线串行扩展SPI(SerialPeriperalInterface)是Motorola公司推出的同步串行外设接口,允许单片机与多个厂家生产的带有标准SPI接口的外围设备直接连接,以串行方式交换信息。图12-3为SPI外围串行扩展结构图。SPI使用4条线:串行时钟SCK,主器件输入/从器件输出数据线MISO,主器件输出/从器件输入数据线MOSI和从器件选择线。121313图12-3SPI外围串行扩展结构图14SPI典型应用是单主系统,一台主器件,从器件通常是外围接口器件,如存储器、I/O接口、A/D、D/A、键盘、日历/时钟和显示驱动等。扩展多个外围器件时,SPI无法通过数据线译码选择,故外围器件都有片选端。在扩展单个SPI器件时,外围器件的片选端可以接地或通过I/O口控制;在扩展多个SPI器件时,单片机应分别通过I/O口线来分时选通外围器件。在SPI串行扩展系统中,如果某一从器件只作输入(如键盘)或只作输出(如显示器)时,可省去一条数据输出(MISO)线或一条数据输入(MOSI)线,从而构成双线系统(接地)。14CSCS15SPI系统中单片机对从器件的选通需控制其CS*端,由于省去传输时的地址字节,数据传送软件十分简单。但在扩展器件较多时,需要控制较多的从器件端,连线较多。在SPI系统中,主器件单片机在启动一次传送时,便产生8个时钟,传送给接口芯片作为同步时钟,控制数据的输入和输出。传送格式是高位(MSB)在前,低位(LSB)在后,如图12-4所示。输出数据的变化以及输入数据时的采样,都取决于SCK。但对不同外围芯片,可能是SCK的上升沿起作用,也可能是SCK的下降沿起作用。SPI有较高的数据传输速度,最高可达1.05Mbit/s。15CS16图12-4SPI数据传送格式Motorola提供了一系列具有SPI接口的单片机和外围接口芯片,如存储器MC2814、显示驱动器MC14499和MC14489等各种芯片。1617SPI从器件要具有SPI接口。主器件是单片机。目前已有许多机型的单片机都带有SPI接口。但对AT89S51,由于不带SPI接口,SPI接口的实现,可采用软件与I/O口结合来模拟SPI的接口时序。【例12-2】设计AT89S51单片机与串行A/D转换器TLC2543的SPI接口。TLC2543是美国TI公司的12位串行SPI接口的A/D转换器,转换时间为10µs。片内有1个14路模拟开关,用来选择11路模拟输入以及3路内部测试电压中的1路进行采样。1718图12-5为单片机与TLC2543的SPI接口电路。TLC2543的I/OCLOCK、DATAINPUT和端由单片机的P1.0、P1.1和P1.3来控制。转换结果的输出数据(DATAOUT)由单片机的P1.2串行接收,单片机将命令字通过P1.1输入到TLC2543的输入寄存器中。下面的子程序为AT89S51选择某一通道(例如AIN0通道)进行1次数据采集,A/D转换结果共12位,分两次读入。先读入TLC2543中的8位转换结果到单片机中,同时写入下一次转换的命令,然后再读入4位的转换结果到单片机中。18CS19注意:TLC2543在每次I/O周期读取的数据都是上次转换的结果,当前转换结果要在下一个I/O周期中被串行移出。TLC2543A/D转换的第1次读数由于内部调整,读取的转换结果可能不准确,应丢弃。图12-5AT89S51单片机与TLC2543的SPI接口1920子程序如下:ADCOMDBYTE6FH;定义命令存储单元ADOUTHBYTE6EH;定义存储转换结果高4位单元ADOUTLBYTE6DH;定义存储转换结果低8位单元ADCONV:CLRP1.0;时钟脚为低电平CLRP1.3;片选有效,选中TLC2543MOVR2,#08H;送出下一次8位转换命令和;读8位转换结果做准备MOVA,ADCOMD;下一次转换命令在ADCOMD;单元中送ALOOP1:MOVC,P1.2;读入1位转换结果RRCA;1位转换结果带进位位右移2021MOVP1.1,C;送出命令字节中的1位SETBP1.0;产生1个时钟NOPCLRP1.0NOPDJNZR2,LOOP1;是否完成8次转换结果读入和命;令输出?未完则跳MOVADOUTL,A;读8位转换结果存入ADOUTL单元MOVA,#00H;A清0MOVR2,#04H;为读入4位转换结果做准备2122SETBP1.0;产生1个时钟NOPCLRP1.0NOPDJNZR2,LOOP2;是否完成4次读入?未完则跳;LOOP2MOVADOUTH,A;高4位转换结果存入;ADOUTH单元中的高4位SWAPADOUTH;ADOUTH单元中的高4位与;低4位互换LOOP2:MOVC,P1.2;读入高4位转换结果中的1位RRCA;带进位位循环右移SETBP1.0;时钟无效RET2223执行上述程序中的8次循环,执行“RRCA”指令8次,每次读入转换结果1位,然后送出ADCOMD单元中的下一次转换的命令字节“G7G6G5G4G3G2G1G0”中的1位,进入TLC2543的输入寄存器。经8次右移后,8位A/D转换结果数据“××××××××”读入累加器Acc中,上述的具体数据交换过程如图12-6所示。子程序中的4次循环,只是读入转换结果的4位数据,图中没有给出,读者可自行画出4次移位的过程。2324图12-6单片机与TLC2543的8位数据交换示意图25由本例见,单片机与TLC2543接口十分简单,只需用软件控制4条I/O脚按规定时序对TLC2543进行访问即可。12.3Microwire总线简介三线同步串行接口,1根数据线SO、1根数据输入线S和1根时钟线SK组成。该总线最初是内建在NS公司COP400/COP800HPC系列单片机中,为单片机和外围器件提供串行通信接口。该总线只需要3根信号线,连接和拆卸都很方便。在需对一个系统更改时,只需改变链接到总线的单片机及外器件的数量和型号即可。2526最初的Microwire总线只能连接一台单片机作为主机,总线上的其他器件都是从设备。随着技术的发展,NS公司推出了8位的COP800系列单片机,该系列单片机仍采用原来的Microwire总线,但接口功能进行了增强,称之为增强型的MicrowirePlus。增强型的MicrowirePlus允许连接多台单片机和外围器件,应用于分布式、多处理器的复杂系统。NS公司已生产出各种功能的Microwire总线外围器件,包括存储器、定时器/计数器、ADC和DAC、LED显示驱动器和LCD显示驱动器以及远程通信设备等。262712.4I2C总线的串行扩展介绍12.4.1概述I2C总线,PHILIPS推出,使用广泛、很有发展前途的芯片间串行扩展总线。只有两条信号线,一是数据线SDA,另一是时钟线SCL。两条线均双向,所有连到I2C上器件的数据线都接到SDA线上,各器件时钟线均接到SCL线上。I2C系统基本结构如图12-7所示。I2C总线单片机(如PHILIPS公司的8xC552)直接与I2C接口的各种扩展器件(如存储器、I/O芯片、A/D、D/A、键盘、显示器、日历/时钟)连接。2728由于I2C总线的寻址采用纯软件的寻址方法,无需片选线的连接,这样就大大简化了总线数量。28图12-7I2C串行总线系统的基本结构29I2C的运行由主器件(主机)控制。主器件是指启动数据的发送(发出起始信号)、发出时钟信号、传送结束时发出终止信号的器件,通常由单片机来担当。从器件(从机)可以是存储器、LED或LCD驱动器、A/D或D/A转换器、时钟/日历器件等,从器件必须带有I2C串行总线接口。当I2C总线空闲时,SDA和
本文标题:2019最新单片机的串行扩展技术物理
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