第8章 串行总线技术ppt课件.ppt

第8章 串行总线技术第第8章章 串行总线技术串行总线技术 第第8 8章章 串行总线技术串行总线技术第第8章章 串行总线技术串行总线技术 内容提要第第8章章 串行总线技术串行总线技术 内容提要第第8章章 串行总线技术串行总线技术 串行接口的引脚少，扩展方便，所以采用串行总线技术可串行接口的引脚少，扩展方便，所以采用串行总线技术可以使系统设计大大的简化，如系统的电路面积大大减少、系统以使系统设计大大的简化，如系统的电路面积大大减少、系统的稳定性和可靠性增强。同时，对于系统的更改和扩充更加的的稳定性和可靠性增强。同时，对于系统的更改和扩充更加的方便和可行。由于方便和可行。由于5151单片机的系统资源比较有限，经常采用串单片机的系统资源比较有限，经常采用串行总线技术来进行外部扩展。目前，常用的串行扩展接口有行总线技术来进行外部扩展。目前，常用的串行扩展接口有I I2 2C C、SPISPI和和单总线单总线等，本章主要对这三种接口进行理论介绍并等，本章主要对这三种接口进行理论介绍并辅以简单的案例使读者能够初步掌握通过串行接口来对单片机辅以简单的案例使读者能够初步掌握通过串行接口来对单片机进行外围扩展。进行外围扩展。 第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.1 I2C总线简介 I2C是是一种简单、双向、二线制、同步串行总线一种简单、双向、二线制、同步串行总线。只有两只有两个双向的信号线个双向的信号线：时钟线时钟线SCL和和数据线数据线SDA。 由于由于I2C总线接口是开漏或开集电极输出，需要加上拉电总线接口是开漏或开集电极输出，需要加上拉电阻阻。当总线空闲时，当总线空闲时，SDA和和SCL两根线均为高电平。如果连两根线均为高电平。如果连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的即各器件的SDA及及SCL都是线都是线“与与”的关系。的关系。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 1.I2C总线数据位有效性规定总线数据位有效性规定： I2C总线进行数据传送时，时钟信号总线进行数据传送时，时钟信号SCL为高电平期间，为高电平期间，数据线数据线SDA上的数据必须保持稳定，当时钟信号线上的数据必须保持稳定，当时钟信号线SCL为低为低电平期间，数据线电平期间，数据线SDA上的数据才允许变化。上的数据才允许变化。 I2C总线数据有效性时序第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 2.I2C总线的起始信号和终止信号总线的起始信号和终止信号 时钟信号线时钟信号线SCL为高电平期间，数据线为高电平期间，数据线SDA由高电平向由高电平向低电平的变化表示起始信号低电平的变化表示起始信号S，启动，启动I2C总线工作；时钟信号总线工作；时钟信号线线SCL为高电平期间，数据线为高电平期间，数据线SDA由低电平向高电平的变化由低电平向高电平的变化表示终止信号表示终止信号P，终止，终止I2C总线的数据传送。总线的数据传送。 I2C总线起始信号和终止信号时序第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 3.I2C总线字节的传送和应答总线字节的传送和应答 I2C总线在进行数据传送时，先传送最高位（总线在进行数据传送时，先传送最高位（MSB），每），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。如果是因为某种原因造成从设备不对主机寻址信号应位）。如果是因为某种原因造成从设备不对主机寻址信号应答的话，那么它必须将数据线置于高电平，让主机产生一个答的话，那么它必须将数据线置于高电平，让主机产生一个终止信号以释放总线。或者如果从设备对主机进行了应答，终止信号以释放总线。或者如果从设备对主机进行了应答，但从设备不想再接收数据，那么从设备可以通过但从设备不想再接收数据，那么从设备可以通过 “非应答非应答”来通知主机，同样让主机发出终止信号以结束数据的传送。来通知主机，同样让主机发出终止信号以结束数据的传送。当主机接收从设备的收数据时，收到最后一个数据字节后，当主机接收从设备的收数据时，收到最后一个数据字节后，主机必须向从设备发出一个主机必须向从设备发出一个 “非应答非应答”信号，使从设备释放信号，使从设备释放SDA线，以允许主机产生终止信号。线，以允许主机产生终止信号。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 4.I2C总线传送的数据帧格式总线传送的数据帧格式 I2C总线上传送的信号可以是地址信号，也可以数据信总线上传送的信号可以是地址信号，也可以数据信号。在起始信号号。在起始信号S后，主机发送一个字节的数据信号给从设后，主机发送一个字节的数据信号给从设备，这个字节的高备，这个字节的高7位是设备的地址，最低位是数据的传送位是设备的地址，最低位是数据的传送方向，方向，0-表示主机发送数据，表示主机发送数据，1-表示主句接收从设备的数据表示主句接收从设备的数据。如果主机希望占用总线连续进行数据的传送，那么无需。如果主机希望占用总线连续进行数据的传送，那么无需产生终止信号，只要立马再次发送起始信号进行数据传输产生终止信号，只要立马再次发送起始信号进行数据传输即可。在即可。在I2C总线的一次数据传送过程中，可以分为以下几总线的一次数据传送过程中，可以分为以下几种情况种情况：第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 4.I2C总线传送的数据帧格式总线传送的数据帧格式(1)主机向从设备发送数据，数据传输方向不变：主机产生起主机向从设备发送数据，数据传输方向不变：主机产生起始信号始信号S，开始对从设备进行寻址，数据的传送方向是主机向，开始对从设备进行寻址，数据的传送方向是主机向I2C设备发送数据。在整个过程中，数据的传输方向不变，设备发送数据。在整个过程中，数据的传输方向不变，I2C设备接收到数据之后进行应答。发送完最后一个数据之后设备接收到数据之后进行应答。发送完最后一个数据之后，主机发出终止信号，主机发出终止信号P,释放释放I2C总线。总线。数据传输方向不变第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 4.I2C总线传送的数据帧格式总线传送的数据帧格式(2)主机在第一个字节后，立即向从设备读数据：主机产生起主机在第一个字节后，立即向从设备读数据：主机产生起始信号后，对设备进行寻址，从设备返回应答之后，主机向始信号后，对设备进行寻址，从设备返回应答之后，主机向从设备读取数据，读完最后一个字节的数据之后，主机发出从设备读取数据，读完最后一个字节的数据之后，主机发出终止信号，释放终止信号，释放I2C总线。总线。向设备读取数据第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 4.I2C总线传送的数据帧格式总线传送的数据帧格式(3)如果在传输过程中，需要改变传送方向时：起始信号和从如果在传输过程中，需要改变传送方向时：起始信号和从设备地址都需要被重新发送一次，但两次读设备地址都需要被重新发送一次，但两次读/写方向位正好反写方向位正好反相。相。传输过程改变方向注：有阴影部分表示数据由主机向从设备传输数据，无阴影部分则表示数据由从设备向主机传输。A表示应答， 表示非应答。S表示起始信号，P表示终止信号。A第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.2 I2C总线的通信规程 5.I2C总线的寻址总线的寻址 在在I2C总线协议中，明确规定采用总线协议中，明确规定采用7位的寻址字节，即寻位的寻址字节，即寻址字节是起始信号后的第一个字节。当起始信号后，主机开址字节是起始信号后的第一个字节。当起始信号后，主机开始寻址，总线上的每个从设备都将这始寻址，总线上的每个从设备都将这7位的地址码与自己的地位的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，那么该址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，那么该从设备将根据寻址字节的最低位来确定自己是为发送器还是从设备将根据寻址字节的最低位来确定自己是为发送器还是接收器。接收器。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.3 AT24C02的使用 AT24CXX是由美国是由美国Atmel公司生产的公司生产的E2PROM存储器，存储器，该系列存储器具有低功耗、工作电压范围宽和单电源供电等该系列存储器具有低功耗、工作电压范围宽和单电源供电等优点，所以在低电压及低功耗的工业领域得到广泛的应用。优点，所以在低电压及低功耗的工业领域得到广泛的应用。AT24CXX系列参数系列参数：第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.3 AT24C02的使用 AT24C02引脚介绍：引脚介绍：第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.3 AT24C02的使用 对对AT24C02的操作：的操作：1.写入过程写入过程： 芯片地址总共芯片地址总共7位，分为固定部分和可编程部分。高位，分为固定部分和可编程部分。高4位位为固定部分值为为固定部分值为1010，A2、A1、A0低低3位可编码地址。单片位可编码地址。单片机在进行写操作时，先发送该芯片的机在进行写操作时，先发送该芯片的7位地址码和写方向位位地址码和写方向位“0”（即一个字节），然后释放（即一个字节），然后释放SDA线并在线并在SCL线上产生第线上产生第9个时钟信号，被选中的芯片在个时钟信号，被选中的芯片在SDA线上产生一个应答信号，线上产生一个应答信号，单片机收到应答后就可以传输数据给该芯片了。单片机收到应答后就可以传输数据给该芯片了。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.3 AT24C02的使用 对对AT24C02的操作：的操作：1.读取读取过程过程： 单片机先发送该器件的单片机先发送该器件的7位地址码和写方向位位地址码和写方向位“0” 然后释然后释放放SDA线并在线并在SCL线上产生第线上产生第9个时钟信号，被选中的存储器个时钟信号，被选中的存储器件在件在SDA线上产生一个应答信号。接着单片机再发送一个字线上产生一个应答信号。接着单片机再发送一个字节的读取数据地址，单片机收到应答之后，需要重新产生起节的读取数据地址，单片机收到应答之后，需要重新产生起始信号并寻址改变数据传输方向位，收到器件的应答之后，始信号并寻址改变数据传输方向位，收到器件的应答之后，就可以从该芯片读取相应的内容了。就可以从该芯片读取相应的内容了。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 【例【例8.1】通过独立按键】通过独立按键1将要写入的数据从将要写入的数据从0开始自增，通过开始自增，通过按键按键2的动作将数据写入到的动作将数据写入到AT24C02并将写入的值从并将写入的值从AT24C02读取，结果通过读取，结果通过LED灯显示出来。灯显示出来。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 1.起始信号起始信号在在SCL时钟信号高电平期间，时钟信号高电平期间，SDA信号产生一个下降沿信号产生一个下降沿。void I2cStart()SDA=1;Delay10us();SCL=1;Delay10us();/建立时间是SDA保持时间4.7usSDA=0;Delay10us();/保持时间是4usSCL=0;Delay10us();起始信号时序第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 2.终止信号终止信号在SCL时钟信号高电平期间，SDA信号产生一个上升沿。终止信号时序void I2cStop()SDA=0;Delay10us();SCL=1;Delay10us();/建立时间大于4.7usSDA=1;Delay10us();第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 3.发送一个字节发送一个字节/*函数名称：I2cSendByte函数功能：通过I2C发送一个字节。在SCL时钟信号高电平期间，保持发送信号SDA稳定输入参数：dat-要发送的数据输出参数：0或1。发送成功返回1，发送失败返回0*/unsigned char I2cSendByte(unsigned char dat)unsigned char a=0,b=0;/最大255，一个机器周期为1us，最大延时255us。for(a=0;a7; /起始信号之后SCL=0，所以可以直接改变SDA信号dat=dat4.7usSCL=0;Delay10us();/时间大于4us第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 3.发送一个字节发送一个字节SDA=1;Delay10us();SCL=1;while(SDA)/等待应答，也就是等待从设备把SDA拉低b+;if(b200)/如果超过2000us没有应答发送失败，或者为非应答，表示接收结束SCL=0;Delay10us();return 0;SCL=0;Delay10us(); return 1;第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 4.读取一个字节读取一个字节/*函数名称：I2cReadByte函数功能：使用I2c读取一个字节输入参数：无输出参数：接收到的一个字节数据*/ unsigned char I2cReadByte()unsigned char a=0,dat=0;SDA=1;/起始和发送一个字节之后SCL都是0Delay10us();for(a=0;a8;a+)/接收8个位SCL=1;Delay10us();dat=1;dat|=SDA;Delay10us();SCL=0;Delay10us();return dat;第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 5.往往AT24C02写入一个字节写入一个字节/*函数名称：At24c02Write函数功能：往AT24c02的指定地址写入一个数据输入参数：addr-要写入的地址，dat-要写入的数据输出参数：无*/void At24c02Write(unsigned char addr,unsigned char dat)I2cStart();I2cSendByte(0 xa0);/发送写器件地址I2cSendByte(addr);/发送要写入内存地址I2cSendByte(dat);/发送数据I2cStop();第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.1 I2C总线技术8.1.4 编程实现对AT24C02的读写 6.从从AT24C02读取一个字节读取一个字节/*函数名称：At24c02Read函数功能：读取AT24c02的指定地址的一个数据输入参数：addr-要读取数据的地址输出参数：返回读取的数据*/unsigned char At24c02Read(unsigned char addr)unsigned char num;I2cStart();I2cSendByte(0 xa0); /发送写器件地址I2cSendByte(addr); /发送要读取的地址I2cStart();I2cSendByte(0 xa1); /发送读器件地址num=I2cReadByte(); /读取数据I2cStop();return num;第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.1 SPI总线简介 SPI是由是由Motorola公司提出来的一种高速的，全双工的，公司提出来的一种高速的，全双工的，同步的串行总线标准。同步的串行总线标准。 SPI接口一般使用接口一般使用4根线，以主从的方式工作。通常有一个根线，以主从的方式工作。通常有一个主器件和一个或多个从器件如图主器件和一个或多个从器件如图8.13所示。其接口包括以下四所示。其接口包括以下四种信号：（种信号：（1）MOSI：主器件数据输出：主器件数据输出,从器件数据输入（从器件数据输入（2）MISO：主器件数据输入：主器件数据输入,从器件数据输出（从器件数据输出（3）SCLK：时钟信：时钟信号号,由主器件产生（由主器件产生（4） ：从器件使能信号：从器件使能信号,由主器件控制。由主器件控制。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.1 SPI总线简介 SPI串行总线所使用的线比较少，串行总线所使用的线比较少，SPI接口在接口在E2PROM，FLASH，实时时钟，实时时钟，AD转换器转换器应用广泛。应用广泛。在在SPI主从系统中主从系统中 ，需要注意的是只能有一个主设备但可以接若干个，需要注意的是只能有一个主设备但可以接若干个SPI从设备从设备。SPI总线一主多从系统第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.2 SPI芯片X5045的使用 X5045是由是由Xicor公司推出的带公司推出的带SPI接口的接口的E2PROM芯片，芯片，它的主要优点是具有上电复位、串行接口、看门狗和电压监控它的主要优点是具有上电复位、串行接口、看门狗和电压监控等功能，在单片机系统中具有广发的应用。等功能，在单片机系统中具有广发的应用。X5045引脚介绍：引脚介绍：第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.2 SPI芯片X5045的使用 X5045芯片内部有一个状态寄存器，读者通过软件编程设芯片内部有一个状态寄存器，读者通过软件编程设置相应的位，可以设置该芯片的写保护功能和看门狗复位时间置相应的位，可以设置该芯片的写保护功能和看门狗复位时间等。等。BL1BL0设置芯片的地址保护空间，设置芯片的地址保护空间，WD1WD0看门狗看门狗溢出时间溢出时间 设定设定，WEL写使能状态位：写使能状态位：1-允许写，允许写，0-禁止写；禁止写；WIP忙标志位，忙标志位，1-芯片忙碌，芯片忙碌，0-芯片空闲。芯片空闲。X5045状态寄存器位说明第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.2 SPI芯片X5045的使用 BL1BL0地址保护空间设置WD1WD0看门狗溢出时间设定第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.2 SPI芯片X5045的使用 X5045内部有一个指令寄存器，通过该寄存器来控制芯片内部有一个指令寄存器，通过该寄存器来控制芯片的读写操作。写入数据操作：先拉低的读写操作。写入数据操作：先拉低CS引脚引脚写入指令写入指令WREN拉高拉高CS拉低拉低CS写入写入WRITE指令指令写入要写入数写入要写入数据的地址据的地址写入数据写入数据拉高拉高CS。读取数据操作：拉低。读取数据操作：拉低CS写入写入READ指令指令写入要读取的数据地址写入要读取的数据地址读取数据读取数据拉高拉高CS。 X5045指令说明第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.3 编程实现对X5045的读写 【例【例8.2】由于】由于51单片机内部也没有集成相应的单片机内部也没有集成相应的SPI接口，所以接口，所以51单片机要操作具有单片机要操作具有SPI接口的接口的X5045芯片需要模拟芯片需要模拟SPI时序来时序来对它进行操作。实验如图所示对它进行操作。实验如图所示，P1.0接接CS引脚，引脚，P1.1接接SO引脚引脚，P1.2接接SI引脚，引脚，P1.3接接SCK引脚，引脚，P2口接口接8个个LED灯，灯，P3.4和和P3.5各接一个独立按键，要实现的功能：设置一个全局变量各接一个独立按键，要实现的功能：设置一个全局变量WriteDat=0，按键，按键1按下将按下将WriteDat+,按键按键2将将WriteDat变量变量的值写到的值写到X5045中，再从中，再从X5045中读取出来，通过中读取出来，通过LED显示出来显示出来。 第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.3 编程实现对X5045的读写 第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.3 编程实现对X5045的读写 1.向向X5045写入一个字节的数据：写入一个字节的数据：数据从高位开始，在数据从高位开始，在SCK上升沿的时候写入上升沿的时候写入SI。 void WriteByte(unsigned char dat)unsigned char i;SCK=0; for(i = 0;i 8;i+) / 循环移入8个位SI=(bit)(dat&0 x80); /按位与得到一位数据，从高位开始 SCK=0;SCK=1; /在SCK上升沿写入数据dat=1; /将dat向左移一位第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.2 SPI总线技术8.2.3 编程实现对X5045的读写 2.从从X5045读取一个字节的数据：读取一个字节的数据：数据从高位开始，在数据从高位开始，在SCK下降沿的时候从下降沿的时候从SO读取到。读取到。unsigned char ReadByte(void)unsigned char i;unsigned char dat=0 x00; SCK=1; for(i = 0; i 8; i+)SCK=1; /拉高SCKSCK=0; /在SCK的下降沿输出数据 dat0;i-)DQ = 0; /拉低DQDelay_10us(1);DQ = 1; /拉高DQDelay_10us(1);/延时一会儿，等待数据稳定bi=DQ;dat = (dat 1) | (bi 0; i-) DQ = 0;/拉低DQDelay_10us(1); DQ = dat&0 x01;/然后写入一个数据，从最低位开始 Delay_10us(6);/延时大于60us DQ = 1;/拉高DQ dat=1;(3)写一个字节的数据到写一个字节的数据到DS18B20。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.3 单总线技术8.3.3 编程实现对DB18B20的读写(4)读取温度值。读取温度值。初始化初始化DS18B20发送指令发送指令0 xCC启动温度转换启动温度转换初始化初始化DS18B20发送指令发送指令0 xCC发送指令发送指令0 xBE读取温度值。读取温度值。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 8.3 单总线技术8.3.3 编程实现对DB18B20的读写/*函数名称：Read_Temperature函数功能：读取温度值输入参数：无输出参数：返回一个int 类型的数据*/ int Read_Temperature()int temp;uchar tmh, tml; DS18B20_Init();/初始化DS18B20Write_Byte(0 xCC); / 发送指令，跳过读序号列号的操作Write_Byte(0 x44); / 启动温度转换Delay_Ms(1); DS18B20_Init();Write_Byte(0 xCC); /发送指令，跳过读序号列号的操作Write_Byte(0 xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度Delay_Ms(1);tml = Read_Byte();/读取温度值共16位，先读低字节tmh = Read_Byte();/再读高字节temp = tmh;temp = 8;temp |= tml;return temp;(4)读取温度值。读取温度值。第第8章章 串行总线技术串行总线技术 本章小结 本章主要介绍了串行总线技术，如本章主要介绍了串行总线技术，如I2C总线技术、总线技术、SPI总线总线技术和单总线技术。串行总线技术的优点在于接口引脚少技术和单总线技术。串行总线技术的优点在于接口引脚少，但是增加软件编写的复杂性，特别对于没有该相应总线，但是增加软件编写的复杂性，特别对于没有该相应总线接口的控制器要控制串行设备就需要模拟相应的总线工作接口的控制器要控制串行设备就需要模拟相应的总线工作时序。读者在学习完本章内容后，应重点掌握以下知识：时序。读者在学习完本章内容后，应重点掌握以下知识：掌握单片机模拟掌握单片机模拟I2C总线时序控制相应的总线时序控制相应的I2C设备设备掌握单片机模拟掌握单片机模拟SPI总线时序控制相应的总线时序控制相应的SPI设备设备掌握单片机模拟单总线时序控制相应的单总线设备掌握单片机模拟单总线时序控制相应的单总线设备