单片机原理与C51基础 教学课件 ppt 作者 赵丽清 第11章

1、第11章:串行扩展技术,第11章 目录,11.1 单总线串行扩展 11.2 SPI总线串行扩展 11.3 I2C总线扩展 11.3.1 I2C总线基础 11.3.2 80C51的I2C总线时序模拟 11.3.3 80C51与AT24C02的接口,11.1 单总线串行扩展,单片机总线扩展技术，按照数据传送方式，可分为两大类： 并行总线扩展技术 串行总线扩展技术。 并行总线速度快，适合短距离高速传送；串行总线连线少，结构简单，占用单片机的I/O口资源少，可直接与许多外围设备连接，适合远距离慢速传送。 目前，单片机应用系统中常用的串行扩展总线有:单总线(1-Wire BUS)、SPI总线(Serial Peripheral Interface BUS)、I2C总线(Inter-Integrated Circuit BUS)及SMBus总线(System Management Bus)等。,11.1 单总线串行扩展,单总线(1-Wire Bus)是美国的Maxim全资子公司达拉斯(DALLAS)半导体公司推出了一项特有的串行扩展总线技术，已经集成到各种类型的芯片中，如存储器、温度传感器、A/D

2、转换器、实时时钟和电池管理芯片等。 单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，这种使用一条信号线的串行扩展技术，称为单总线技术。 与目前多数标准总线不同，单总线技术采用单根信号线，既能传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，实现半双工通信。因此它具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等诸多优点，在测量、控制、认证和识别等领域的应用越来越广泛。 单总线系统中配置的各种器件，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，可以被唯一确定。,11.1 单总线串行扩展,图11-1 单总线芯片的内部结构示意图,11.1 单总线串行扩展,【例11-1】图11-2（a）所示为一个由单总线构成的分布式温度监测系统实例，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。单片机对每个DS18B20通过总线DQ寻址。DQ为漏极开路，

3、需加上拉电阻。,图11-2 单总线构成的分布式温度监测系统,11.1 单总线串行扩展,DS18B20具有以下特点： (1)体积小、结构简单、使用方便。 (2)每个芯片都有唯一的64位光刻ROM编码，家族码为28H。 (3)温度测量范围-55+125，在-10+85范围内，测量精度可达0.5。 (4)DS18B20的分辨率为可编程的912位(其中包括1位符号位)，对应的温度变化量分别为0.5、0.25、0.125、0.0625。 (5)DS18B20的转换时间与分辨率有关。当设定为9位时，转换时间为93.75 ms；当设定为10位时，转换时间为187.5ms；当设定为11位时，转换时间为375 ms；当设定为12位时，转换时间为750ms。 (6)DS18B20片内含有SRAM(暂存寄存器)和E2PROM(非易失寄存器)，单片机写入E2PROM的上下限温度值以及对DS18B20的设置，在芯片掉电的情况下不丢失。,第11章 目录,11.2 SPI总线串行扩展,11.2 SPI总线串行扩展,SPI总线（Serial Peripheral Interface BUS）的中文意思就是串行外部设备

4、接口，SPI总线是由Motorola公司最先推出的全双工同步串行总线，允许单片机与各种外围设备以串行方式进行通信，主要应用在EEPROM，FLASHRAM，实时时钟，LCD显示驱动器，A/D转换器，D/A转换器等芯片中。 标准的SPI总线可直接与各个厂家生产的具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行连接，只需通过4条信号线就可以实现主从设备之间的通信，被称为四线制同步串行总线。 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 从器件选择线。,11.2 SPI总线串行扩展,图11-3 SPI外围串行扩展结构图,图11-4 SPI数据传送格式,11.2 SPI总线串行扩展,【例11-2】设计80C51单片机与串行A/D转换器TLC2543的SPI接口,图11-5 80C51单片机与TLC2543的SPI接口,11.2 SPI总线串行扩展,具体的子程序如下： ADCOMD BYTE 6FH ；定义命令存储单元 ADOUTH BYTE 6EH ；定义存储转换结果高4位单元 ADOUTL BYTE 6DH ；定义存储转换结果低8位

5、单元 ADCONV：CLR P1.0 ；时钟脚为低电平 CLR P1.3 ；片选 有效，选中TLC2543 MOV R2，#08H ；送出下一次8位转换命令和读8位转换结果做准备 MOV A，ADCOMD ；下一次转换的命令在ADCOMD单元中送A LOOP1：MOV C，P1.2 ；读入1位转换结果 RRC A ；1位转换结果带进位位右移 MOV P1.1，C ；送出命令字节中的1位 SETB P1.0 ；产生1个时钟 NOP CLR P1.0 NOP,11.2 SPI总线串行扩展,DJNZ R2，LOOP1 ；是否完成8次转换结果读入和命令输出？未完则跳 MOV ADOUTL，A ；读入的8位转换结果存人ADOUTL单元 MOV A，#00H ；A清0 MOV R2，#04H ；为读入4位转换结果做准备 LOOP2：MOV C，P1.2 ；读入高4位转换结果中的1位 RRC A ；带进位位循环右移 SETB P1.0 ；产生1个时钟 NOP CLR P1.0 NOP DJNZ R2，LOOP2 ；是否完成4次读入？末完则跳LOOP2 MOV ADOUTH，A ；高4位转换结果存人A

6、DOUTH单元中的高4位 SWAP ADOUTH ；ADOUTH单元中的高4位与低4位互换 SETB P1.0 ；时钟无效 RET,第11章 目录,11.3 I2C总线扩展 11.3.1 I2C总线基础 11.3.2 80C51的I2C总线时序模拟 11.3.3 80C51与AT24C02的接口,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 1、I2C总线架构 I2C总线 (Inter-Integrated Circuit BUS)是PHILIPS公司开发的一种双向两线制同步串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，实现连接于总线上的器件之间的信息传送，是近年来微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。 目前许多接口器件采用了I2C总线接口，如AT24C系列2PROM器件、LED驱动器SAA1064等。PHILIPS公司推出的包括LED驱动器、LCD驱动器、A/D转换器、D/A转换器、RAM、EPROM及I/O接口在内的I2C接口电路芯片。 I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。所有连接到I2C总线上器件的数据线都接到SDA线上,各器件的时钟线

7、均接到SCL线上。,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 1、I2C总线架构 I2C总线 (Inter-Integrated Circuit BUS)是PHILIPS公司开发的一种双向两线制同步串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，实现连接于总线上的器件之间的信息传送，是近年来微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。 目前许多接口器件采用了I2C总线接口，如AT24C系列2PROM器件、LED驱动器SAA1064等。PHILIPS公司推出的包括LED驱动器、LCD驱动器、A/D转换器、D/A转换器、RAM、EPROM及I/O接口在内的I2C接口电路芯片。 I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。所有连接到I2C总线上器件的数据线都接到SDA线上,各器件的时钟线均接到SCL线上。,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 1、I2C总线架构,图11-7 I2C总线的基本架构,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 2、I2C总线的特点 (1)采用二线制。I2C总线由于采用二线制，器件引脚少，器件间连接简单

8、，电路板体积减小，可靠性提高。 (2)传输速率高。串行的8位双向数据传输位速率标准模式传输速率为100Kbps，快速模式为400Kbps，高速模式为3.4Mbps。 (3)每个连接到总线的器件都可以通过软件以唯一的地址寻址，并建立简单的主机/从机关系，主器件既可以作为发送器，也可以作为接收器。 (4)支持主/从和多主两种工作方式。,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 3、I2C总线的数据传输 在I2C总线上，每一位数据位的传输都与时钟脉冲相对应。逻辑0和逻辑1的信号电平取决于相应的电源电压VCC。 数据传输时，SCL为高电平期间，SDA上的数据必须保持稳定；在SCL为低电平期间，SDA上的电平状态才允许变化。,图11-8 数据传输时序,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 3、I2C总线的数据传输 （1）起始和终止信号 I2C总线规定，SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。 起始信号和终止信号由主机发出。在起始信号发出后，总线就处于被占用的状态；在终止信号

9、发出后，总线就处于空闲状态。 从器件检测起始和终止信号。从器件收到一个数据字节后，如果可以马上接收下一字节，要发出应答信号。若无法立刻接收下一个字节，可将SCL线拉成低电平，使主机处于等待状态，直到准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平。,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 3、I2C总线的数据传输 （1）起始和终止信号,图11-9 起始和终止信号,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 3、I2C总线的数据传输 （2）字节传送与应答 数据传输字节数没有限制，但每个字节必须是8位长度，先传最高位(MSB)，每个被传输的字节后面都要跟随应答位(即一帧共有9位)。 如果从器件进行了应答，但在数据传输一段时间后无法继续接收更多的数据时，从器件可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传输。 当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从器件发出一个结束传输的“非应答”信号，然后从器件释放SDA线，以允许主机产生终止信号。,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 3、I2C总线的数据传输 （2）字节传送与应答,图11-10 应答时序,11.3 I2C总线扩展,11.3.1 I2C总线基础 3、I2C总线的数据传输 （3）寻址字节 在主机发出起始信号后要再传输1个寻址字节：7位从器件地址，1位传输方向控制位(用0表示主机发送数据，1表示主机接收数据)。 D7D1位组成从机的地址，D0位是数据传送方向位。主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较。如果相同，则认为自己正被主机寻址。器件地址由固定部分和可编程两部分组成。,图11-11 寻址数据格式,11.3 I2C总线扩展,表11.1 AT24C系列存储器器件地址表,11.3 I2C总线扩展,11.3.2 80C51的I2C总线时序模拟 对于没有配置I2C总线接口的单片机(如80C51等)，可以利用通用并行I/O口线模拟I2C总线接口的时序。 1、I2C总线典型信号 I2C总线的数据传输有严格的时序要求。 I2C总线的起始信号、终止信号、发送应答(0)及发送非应答(1)的时序如图所示。,1

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