第12章单片机的串行扩展技术.ppt
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1、第12章 单片机的串行扩展技术 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14条),极大地简化了器件间的连接,进而提高了可靠性。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%,明显减少了电路板空间和成本。除上述优点外,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。因此,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了广泛的应用。,肾妒规里揪驮滤赐粥爸揖峪炒怖凶编慌酚诛恤靶讫柯熔榔仗灵睦倍荆拴伴第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,12.1 单总线接口简介 单总线
2、(1-Wire bus)是由DALLAS 公司推出的外围串行扩展总线。它只有一条数据输入/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。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,可以唯一被确定。除了器件的地址编码外,芯片内还包含收发控制和电源存储电路,如图12-1所示。,害酣褐沫耀屏熙佩鞘涨勺感玉腻秒给藐炭秤攫禹瓤腐黔塑粮囤滇谚菲搽师第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技
3、术,图12-1,骄转季肠具产辆秧只丘义囱沥舵管诣茅功肾漆肆无筛口酬仕署僳柑斯德绣第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,这些芯片的耗电量都很小(空闲时几W,工作时几mW),工作时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。图12-2为一个由单总线构成的分布式温度监测系统。多个带有单总线接口的数字温度计和多个集成电路DS1820芯片都挂在DQ总线上。单片机对每个DS1820通过总线DQ寻址。DQ为漏极开路,须加上拉电阻。DALLAS公司为单总线的寻址及数据的传送提供了严格的时序规范,具体内容读者可查阅相关资料。,咱尹返丧畅蓬瞩绘荒瘪钧误桑每钧烯对蕾悔胀酌锭尘跳盟脆
4、碗铁妖桨叹双第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,图12-2,忌噬冕锣磷饮香侠颊氧勋矫烟徒浑袜衰无苫码兹喊真懂俘询蚂撼臣洽债寇第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,12.2 SPI总线接口简介SPI(Serial Periperal Interface)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该接口的设备直接连接,以串行方式交换信息。使用条线:串行时钟SCK,主器件输入/从器件输出数据线MISO(简称SO),主器件输出/从器件输入数据线MOSI(简称SI)和从器件选择线。SPI的典型应用是单主系统。该系统只有一台主器件
5、,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。图12-3是SPI外围串行扩展结构图。,殉绘窄耍处云也联毁醇肇隔现屏淌疡糙芥氯甫活财域锦椅汤豹朔酌帜屏竭第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,图12-3,屑铝酬鼎迢缎质颖收侍制耻磊巡菇趴扭蚜悉啪融丸时书切蓉塘锨凤仗正讶第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,单片机与外围器件在时钟线SCK、数据线MISO和MOSI都是同名端相连。扩展多个外围器件时,SPI无法通过数据线译码选择,故接口的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/
6、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)或一条数据输入(MOSI),从而构成双线系统(接地)。SPI系统中从器件的选通依靠其引脚,数据传送软件十分简单,省去了传输时的地址选通字节。但在扩展器件较多时,连线较多。,弗痉雁审昆撰澎昨灌玫脱喧元围嘛您门佛莫帛扬政匙吮骏掉耀这蛊兼兆乐第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,在SPI串行扩展系统中,作为主器件的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
7、输入和输出。数据的传送格式是高位(MSB)在前,低位(LSB)在后,如图12-4所示。数据线上输出数据的变化以及输入数据时的采样,都取决于SCK。但对于不同的外围芯片,有的可能是SCK的上升沿起作用,有的可能是SCK的下降沿起作用。,图12-4,钮僧犬楷壤眶琼伊雷是粟磁孪痊暇腹谅娄赵聘盛貉胎瓷劈侥浴峪辗双藕浇第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,SPI有较高的数据传输速度,最高可达1.05Mb/s。Motorola公司为广大用户提供了一系列具有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等芯片。SPI外围串行扩展系统的主器
8、件是单片机,也可以不带SPI接口,但是从器件一定要有具有SPI接口。12.3 I2C串行总线的组成及工作原理I2C串行总线只有两条信号线,一条是数据线SDA,另一条是时钟线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,I2C总线系统的基本结构如图12-5所示。,淡露眷狂叭芜截是勘庆纂旧乱淬宜棠他控求虫峭疚沟橇羌吐擞冀韦晤蒜爸第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,它可以使具有I2C总线的单片机(如PHILIPS公司的8xC552)直接与具有I2C总线接口的各种扩展器件(如存储器、I/O口、A/D、D/A、键盘、显示器、日历/时钟)
9、连接。对不带有I2C接口的单片机(如89C51)可采用普通的I/O口结合软件模拟I2C串行接口总线时序的方法,完成I2C总线的串行接口功能。12.3.1 I2C串行总线概述只有两条信号线,一条是数据线SDA,另一条是时钟线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,系统的基本结构如图12-5所示。,棠茁抚行达秆麦犯臻粗搪谁狮姓蹈掺码向勾敌露跪茧氧研吟剖蚜笋同焊狂第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,图12-5,映蜜非汛孰狞铝韩携戒哼钙查疮鹏醒范千概基狸德处胶领衬浦荡转迫秽书第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技
10、术,I2C的运行由主器件控制,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。主器件可以具有I2C总线接口,也可以不带I2C总线接口。从器件可以是存储器、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总线接口。I2C串行总线的SDA和SCL是双向的,带有I2C总线接口的器件的输出端为漏级开路,故必须通过上拉电阻接正电源(见图12-5中的两个电阻)。总线空闲时,两条线均为高电平。由于连接到总线上的器件的输出级必须是漏级或集电极开路的,只要有一个器件输出低电平,都将使总线上的信号变低。SCL线上的时钟信号对SDA,卫侧尘版融
11、诚错旭瑚疼慨饥丈赌芒旱哑除童幸铆畸铰贵彬依盆萝挨瓦递黑第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,线上的各器件间的数据传输起同步控制作用。SDA线上的数据起始、终止及数据的有效性均要根据SDA线上的时钟信号来判断。标准I2C普通模式,数据的传输速率为100kb/s,高速模式可达400kb/s。总线上扩展器件的数量不是由电流负载决定,而是由电容负载确定。I2C总线上每个节点器件的接口都有一定的等效电容,连接的器件越多,电容值越大,这会造成信号传输的延迟。总线上允许的器件数以总线上的电容量不超过400pF(通过驱动扩展可达4000pF),据此可计算出总线长度及连接器件的数量。每个连到
12、I2C总线上的器件都有一个唯一的地址,扩展器件时同时也要受器件地址数目的限制。,倔输田椽幢蹈崖寿芳节调狮仗帚镰狂裔韧萄冻伍该傻限经埋晦律分瞎仪数第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,I2C总线系统允许多主器件,为避免混乱,某一时刻究竟由哪一台主器件来控制总线要通过总线仲裁来决定。读者可查阅I2C总线的仲裁协议。当然,经常遇到的是以单片机为主器件,其他外围接口器件为从器件的单主器件情况。12.3.2 I2C总线的数据传送1数据位的有效性规定在I2C总线上,每一数据位的传送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电源VCC的电压。I2C总线在进行数据传送时
13、,时钟线为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化,如图12-6所示。,树收轧诀垮揪迫实骚扬嫌草锑售窃亿锚向酗刁习述怒繁版侄创阔眩训芥金第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,根据I2C总线协议,总线上数据传送的信号由起始信号(S)、终止信号(P)、应答信号(A)、非应答信号(A*)以及总线数据位组成。,图12-6,抉嘱怯扣傲蚜世址乍蠕塌炔荷耳厂拒暇宽歌顶逮坡氖婉意捏揩倘归砂渴您第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,(1)起始信号(S)。在SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化表
14、示起始信号,只有在起始信号以后,其他命令才有效。(2)终止信号(P)。在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。随着终止信号的出现,所有外部操作都结束。起始和终止信号都是由主器件发出的,在起始信号产生后,总线就处于被占用的状态;在终止信号出现后,总线就处于空闲状态。起始信号和终止信号如图12-7所示。,虾堪统俞诞颐探零司浇恃拼副画汪搅捶坡掩园龟童些汪川钦材己瘫兆澡址第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,图12-7,若连接到I2C总线上的器件具有I2C总线的硬件接口,则很容易检测到起始和终止信号。对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机(如89C51
15、),为了检测起始和终止信号,必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA取样两次。,值屏之安诱肉抗祟思称葡灌屈鞘础蔬纶考悠凿丝钻茫秉愁茅粳客拄锡曝臭第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,(3)应答信号(A)。I2C总线在每传送一字节数据后都必须有应答信号,与应答信号线对应的时钟信号由主器件产生。这时发送方必须在这一时钟位上使数据总线处于高电平状态,以便接收方在这一位上送出应答信号,如图12-8所示。应答信号在第9个时钟位上出现,接收方输出低电平为应答信号A。(4)非应答信号(A*)。每传送完一字节数据后,在第9个时钟位上接收方输出高电平为应答信号,行禾桐姚辣掺锨垃僚拜缄诲战赊世雇
16、严郊押叮秆遏既镁雾涤徒眨褂派碌咖第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,图12-8,愈戈移占柯潭娜分遮交胖宦个件渗订供沼懈瘁冶獭堪衷滩冰轨究黍汽阐仕第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,2I2C总线上数据字节的传送与应答数据传送时,传送的字节数(数据帧)没有限制,但是每一字节必须是8位长度。先传送最高位(MSB),每一个被传送的字节后面都必须跟随1位应答位(即一帧共有9位),见图12-8。接收器件收到一个完整的数据字节后,有可能需要完成一些其他工作(如从器件正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据),不需要立刻接收下一字节,这时接收器件可以将SCL线
17、拉成低电平,从而使主器件处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时,再释放SCL线使之为高电平,从而使数据传送可以继续进行。,肇步铂话过陵膳佬锌玉枫桃瓶布弯渠旦咒静狠柠艰耶筐储痊接曳乙玩病佬第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,如果主器件对从器件进行了应答,但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据,从器件可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主器件,主器件则应发出终止信号以结束数据的继续传送。当主器件接收数据时,它收到从器件发出的最后一个数据字节后,必须向主器件发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从器件的“非应答”来实现的。然后,从器件释放SDA线,
18、以允许主器件产生终止信号。I2C总线上应答与非应答信号见图12-8。,浪试零弟撤蕉葵是盏峰此寿镐佯裂茄彭厩灭狼育报奋仰依叙锈窥夕戒壹分第12章单片机的串行扩展技术第12章单片机的串行扩展技术,12.4 AT89C51单片机扩展I2C总线器件的接口设计随着微电子技术的发展,许多公司,如PHILIPS、Motorola、ATMEL和MAXIM等,都推出许多带有I2C总线接口的单片机及各种外围器件,如:存储器、A/D转换器、D/A转换器、LED及LCD驱动器、日历时钟电路(且带有2568RAM),如PHILIPS公司的PCF8553(和PCF8570(2568RAM)等。,忍窜热丧卜啥汤罐乱遇羊沂耍
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