单片机扩展io接口设计课件

1,第9章 MCS-51扩展I/O接口设计,在单片机的I/O口线不够用的情况下，可以借助外部器件对I/O口进行扩展。可供选用的器件很多，方案也有多种。,（1）并行总线扩展的方法 （2）串行口扩展方法 （3）I/O端口模拟串行方法,I/O接口是MCS-51与外设交换数字信息的桥梁。,2,9.1 I/O接口并行扩展概述,I/O接口电路应满足以下要求：,1.实现和不同外设的速度匹配,2. 输出数据锁存,I/O电路应具有数据锁存器，以保证接收设备接收。,3. 输入数据三态缓冲,数据总线可“挂”有多个数据源，为不发生冲突，只允许当前时刻正在进行数据传送的数据源使用数据总线，其余的数据源应处于隔离状态。,3,I/O数据的几种传送方式,为实现和不同的外设的速度匹配，I/O接口必须根据不同外设选择恰当的I/O数据传送方式。,I/O数据传送的几种传送方式是：,（1）同步传送 （2）查询传送 （3）中断传送。,4,I/O接口和I/O端口,I/O端口：简称I/O口，指具有端口地址的寄存器或 缓冲器。,I/O接口：是指单片机与外设间的I/O接口芯片。,一个I/O接口芯片可以有多个I/O端口： （1）数据口（2）命令口（3）状态口,I/O端口编址是给所有I/O接口中的寄存器编址。,5,并行总线扩展I/O接口, 访问扩展I/O口的方法与访问数据存储器完全相同，使用相同的指令，所有扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址。 利用并行总线扩展的方法扩展外部并行I/O口时，必须注意P0, P2口的负载问题，若负载能力不够，必须进行总线驱动能力扩展。 扩展外部并行I/O口对外设的硬件具有依赖性（驱动功率、电平匹配、干扰抑制、隔离等）。,6,4.3.3 可编程并行I/O接口,7,8,8255A应用实例,9,8255A各端口的地址,A口：0111 1111 1111 1100B 7FFCH B口：0111 1111 1111 1101B 7FFDH C口：0111 1111 1111 1110B 7FFEH 控制 ：0111 1111 1111 1111B 7FFFH,10,8255的应用,例：从8255A的A口读入数据，送到8255A的B口输出,解：MOV DPTR ，#7FFFH MOV A，#90H ； MOVX DPTR，A MOV DPTR，#7FFCH MOVX A ， DPTR MOV DPTR， #7FFDH MOVX DPTR，A,11,9.4 用锁存器或缓冲器扩展并行I/O口,利用TTL或CMOS电路的缓冲驱动器（74244、74245）和锁存器（74273、74373、74377），通过P0口构成各种类型的输入/输出口。,这些类型的芯片具有数据缓冲或锁存功能，但没有地址线和读写控制线，仅有数据输入/输出线和选通控制端。因此这类芯片扩展并行I/O口的方法与扩展数据存储器不同。其选通端应由地址线和控制线的组合控制。,12,扩展并行输出口,带数据使能端正边沿触发的高速 D触发器 74377,13,扩展并行输出口,三态正边沿触发的高速 D触发器 74374,14,15,16,9.5 用MCS-51的串行口扩展并行口,17,用74LS164扩展并行输出口,例9-8 编写将内部RAM单元30H、31H的内容经串行口 由74LS164并行输出子程序。,START: MOV R7,#02H ；设置要发送的字节个数 MOV R0,#30H ；设置地址指针 MOV SCON,#00H ；设置串行口为方式0 SEND： MOV A,R0 MOV SBUF,A ；启动串行口发送过程 WAIT: JNB TI,WAIT ；1帧数据未发完，循环等待 CLR TI INC R0 ；取下一个数 DJNZ R7,SEND ；未完，发完从子程序返回 RET,18,用74LS165扩展并行输入口,例9-7 从16位扩展口读入5组数据（每组二个字节）， 并把它们转存到内部RAM 20H开始的单元中。,19,MOV R7,#05H ；设置读入组数 MOV R0,#20H ；设置内部RAM数据区首址,START: CLR P1.0 ；并行置入数据，S/L*=0 SETB P1.0 ；允许串行移位，S/L*=1 MOV R1,#02H ；设置每组字节数，即外扩 ；74LS165的个数,RXDAT: MOV SCON,#10H ；设串口方式0，允许接收，启动,WAIT: JNB RI,WAIT ；未接收完一帧，循环等待 CLR RI ；清RI标志，准备下次接收,MOV A,SBUF ；读入数据 MOV R0,A ；送至RAM缓冲区,INC R0 ；指向下一个地址,DJNZ R1,RXDAT ；未读完一组数据，继续 DJNZ R7,START ；5组数据未读完重新并行置入 ；对数据进行处理,20,串行扩展总线接口技术,一、串行扩展特点：, 最大程度发挥最小系统的资源功能。 简化连接线路，缩小印板面积。 扩展性好，可简化系统的设计。 串行扩展的缺点: 数据吞吐容量较小，信号传输速度较慢，但随着CPU芯片工作频率的提高，以及串行扩展芯片功能的增强，这些缺点将逐步淡化。,21,串行扩展总线接口技术,二、串行扩展方式分类：,1、一线制,一线制的典型代表为Dallas公司推出的单总线（1-wire）。,22,串行扩展总线接口技术,2、二线制：,二线制的典型代表为philips公司推出的I2C总线（SMBus）。,23,串行扩展总线接口技术, 由Motorala公司推出的SPI（Serial peripheral Interface）； 由NS公司推出的Micro wire/PLUS。,3、三线制,24,串行扩展总线接口技术,虚拟串行扩展概念:,用通用I/O口来模拟串行接口，构成虚拟的串行扩展接口。只要严格控制模拟同步信号，并满足串行同步数据传送的时序要求，就可满足串行数据传送的可靠性要求。,25,I2C总线,I2C总线是一种具有自动寻址、高低速设备同步和仲裁等功能的高性能串行总线，能够实现完善的全双工数据传输。 I2C总线只有两根信号线：数据线SDA和时钟线SCL。 各节点供电可以不同，但需共地，另外SDA和SCL需分别接上拉电阻。,I2C总线传输速率为100 kb/s（改进后的规范为400 kb/s），总线驱动能力为400 pF。,26,I2C总线,27,一、I2C总线的接口电路结构,I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成。SDA和SCL都是双向传输线，平时均处于高电平备用状态，只有当需要关闭I2C总线时，SCL线才会箝位在低电平。,28,二、I2C总线信号定义,29,三、 I2C总线的数据传送,30,三、I2C总线的数据传送,31,三、I2C总线的数据传送,当主控器作为接收器接收被控器送来的最后一个数据时，必须给被控器发送一个非应答信号（A），令被控器释放SDA线，以便主控器可以发送停止信号来结束数据的传输。I2C总线上的应答信号是比较重要的，在编制程序时应该着重考虑。,32,四、I2C总线数据传输协议,总线节点的寻址字节：,主机产生起始信号后，发送的第一个字节为寻址字节。该字节的头7位（高7位）为从机地址，最后位（LSB）决定了报文的方向：0表示主机写信息到从机，1表示主机读从机中的信息。 当发送了一个地址后，系统中每个器件都将头7位与自己的地址比较，如果一样器件会应答主机的寻址，至于是接收还是发送由R/W位决定。,33,四、I2C总线数据传输协议,从机地址由一组固定位和一组可编程位部分构成。例如，某些器件有4个固定的位（高4位）和3个可编程的地址位（低3位），那么同一总线上共可以连接8个相同的器件。,从机地址和1位方向位构成了I2C总线器件的寻址字节SLA。,34,I2C总线数据传输协议,35,I2C总线数据传输的格式,地址字节和数据字节都是高位在前，低位在后。,36,I2C总线数据传输的格式,(1) 主控器的写数据操作格式,(2)主控器的读数据操作格式,无论哪种工作方式，都是由主控器来启动总线，发送寻址字节和终止运行；在I2C总线接口的外围器件中，器件内部有多个地址空间时，其读写操作都有地址自动加 1功能 。,37,五、51单片机与I2C总线的接口,38,六、I2C总线数据传送软件包,MCS-51只能采用虚拟I2C总线方式，并且只能用于单主系统，虚拟I2C总线接口可用通用I/O口中任一端线充任，数据线定义为SDA，时钟线定义为SCL。,MCS-51单主系统虚拟I2C总线软件包由二大类共9个归一化子程序组成。二大类程序分别为典型信号模拟子程序和数据传送通用子程序。,39,1、典型信号模拟子程序,40,主程序,在主程序初始化中，应有如下的语句： SDA BIT P1.7 SCL BIT P1.6 MTD EQU 30H ；MTD发送数据缓冲区首址 MRD EQU 40H ；MRD接收数据缓冲区首址 SLA EQU 60H ；SLA寻址字节SLAR/W的存放单元 NUMBYT EQU 61H ；NUMBYT传送字节数存放单元,41,1） 启动I2C总线子程序STA：,STA: SETB SDA SETB SCL ;起始条件建立时间大于4.7 s NOP NOP CLR SDA NOP ;起始条件锁定时间大于4 s NOP CLR SCL ;箝住总线，准备发送数据 RET,42,2) 停止I2C总线子程序STOP,STOP: CLR SDA SETB SCL ;发送停止条件的时钟信号 NOP ;停止总线时间大于4 s NOP SETB SDA ;停止总线 NOP NOP CLR SDA CLR SCL RET,43,3) 发送应答位信号子程序MACK,MACK: CLR SDA SETB SCL NOP ; 即SCL为高，时间大于4.0 s NOP CLR SCL SETB SDA RET,44,4) 发送非应答位信号子程序MNACK,MNACK: SETB SDA SETB SCL NOP NOP CLR SCL CLR SDA RET,45,2、I2C总线数据传送的模拟子程序,I2C总线的数据操作除了基本的启动（STA）、终止（STOP）、发送应答位（MACK）、发送非应答位（MNACK）外，还应有应答位检查（CACK）、发送一字节（WRBYT）、接收一字节（RBYT）、发送N字节（WRNBYT）和接收N字节（RDNBYT）这5个子程序。,46,（1） 应答位检查子程序CACK,CACK：SETB SDA ；置SDA为输入方式 SETB SCL ；使SDA上数据有效 CLR F0 ；预设F0=0 MOV C，SDA ；输入SDA引脚状态 JNC CEND ；正常应答转CEND，且F0=0 SETB F0 ；无正常应答，F0=1 CEND：CLR SCL ；子程序结束，使SCL=0 RET,用F0作标志位，正常应答位后，F0=0；否则F0=1。,47,(2) 发送一字节数据子程序WRBYT,初始化,要发送的位送C,1 or 0?,送“1”,送“0”,8位送完？,RET,Y,48,调用该子程序前，将要发送的数据送入A中。占用资源R0、C。 WRBYT：MOV R0，#08H WLP ：RLC A JC WR1 AJMP WR0 WLP1： DJNZ R0，WLP RET WR1： SETB SDA SETB SCL NOP NOP,CLR SCL CLR SDA AJMP WLP1 WR0：CLR SDA SETB SCL NOP NOP CLR SCL A