单片机的串行扩展技术PPT讲稿.ppt
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1、单片机的串行扩展技术第1页，共49页，编辑于2022年，星期五12.1 12.1 单总线接口简介单总线接口简介 单总线（单总线（1-Wire bus1-Wire bus）是由是由DALLAS DALLAS 公司公司推出的外围串行扩展总推出的外围串行扩展总线。它只有一条数据输入线。它只有一条数据输入/输出线输出线DQDQ，总线上的所有器件都挂在，总线上的所有器件都挂在DQDQ上，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，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，称为称为单总线单总线技术。技术。各种器件，各种器件，由由DALLAS DALLAS 公司提供的专
2、用芯片实现。公司提供的专用芯片实现。每个芯片都有每个芯片都有6464位位ROMROM，厂家对每一个芯片用激光烧写编码，其中存有，厂家对每一个芯片用激光烧写编码，其中存有1616位位十进十进制制编码序列号编码序列号，它是，它是器件的地址编号器件的地址编号，确保它挂在总线上后，可以唯，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，如存储电路，如图图12-112-1所示。所示。第2页，共49页，编辑于2022年，星期五图图12-112-1第3页，共49页，编辑于2022年，星期五这些芯片的这些芯
3、片的耗电量都很小耗电量都很小（空闲时几（空闲时几W W，工作时几，工作时几mWmW），工作时），工作时从总线上从总线上馈送电能到大电容中馈送电能到大电容中就可以工作，故就可以工作，故一般不需另加电源一般不需另加电源。图图12-212-2为一个由单总线构成的为一个由单总线构成的分布式温度监测系统分布式温度监测系统。多个带有单总线。多个带有单总线接口的数字温度计和多个集成电路接口的数字温度计和多个集成电路DS1820DS1820芯片都挂在芯片都挂在DQDQ总线上。单总线上。单片机对每个片机对每个DS1820DS1820通过总线通过总线DQDQ寻址。寻址。DQDQ为漏极开路，须加上拉电阻。为漏极开路
4、，须加上拉电阻。DALLASDALLAS公司为单总线的寻址及数据的传送提供了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严格的时序规范，具，具体内容读者可体内容读者可查阅相关资料查阅相关资料。第4页，共49页，编辑于2022年，星期五 图图12-212-2第5页，共49页，编辑于2022年，星期五12.2 SPI12.2 SPI总线接口简介总线接口简介SPISPI（Serial Periperal InterfaceSerial Periperal Interface）是是MotorolaMotorola公司公司推出的推出的同步串同步串行外设接口行外设接口，允许单片机与多个厂家生产的带有
5、该接口的设备直接连，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。接，以串行方式交换信息。使用使用条线条线：串行时钟：串行时钟SCKSCK，主器件输入，主器件输入/从器件输出数据线从器件输出数据线MISOMISO（简称（简称SOSO），主器件输出），主器件输出/从器件输入数据线从器件输入数据线MOSIMOSI（简称（简称SISI）和）和从器件选从器件选择线择线。SPISPI的典型应用是的典型应用是单主系统单主系统。该系统只有一台主器件，从器件通常。该系统只有一台主器件，从器件通常是外围接口器件，如存储器、是外围接口器件，如存储器、I/OI/O接口、接口、A/DA/D、
6、D/AD/A、键盘、日历、键盘、日历/时钟和显示驱动等。时钟和显示驱动等。图图12-312-3是是SPISPI外围串行扩展结构图。外围串行扩展结构图。第6页，共49页，编辑于2022年，星期五图图12-312-3第7页，共49页，编辑于2022年，星期五单片机与外围器件在时钟线单片机与外围器件在时钟线SCKSCK、数据线、数据线MISOMISO和和MOSIMOSI都是都是同名端相连。同名端相连。扩展多个外围器件时，扩展多个外围器件时，SPISPI无法通过数据线译码选择，故接口的外围无法通过数据线译码选择，故接口的外围器件都有片选端。在器件都有片选端。在扩展单个扩展单个SPISPI器件器件时，外
7、围器件的片选端可时，外围器件的片选端可以接地或通过以接地或通过I/OI/O口控制；在口控制；在扩展多个扩展多个SPISPI器件器件时，单片机应分时，单片机应分别通过别通过I/OI/O口线来分时选通外围器件。口线来分时选通外围器件。在在SPISPI串行扩展系统中，如果某一从器件串行扩展系统中，如果某一从器件只作输入只作输入（如键盘）或（如键盘）或只作输只作输出出（如显示器）时，（如显示器）时，可省去一条数据输出可省去一条数据输出（MISOMISO）或一条数据输）或一条数据输入（入（MOSIMOSI），从而），从而构成双线系统（接地）。构成双线系统（接地）。SPISPI系统中从器件的选通依靠其引脚
8、，数据传送软件十分简单，系统中从器件的选通依靠其引脚，数据传送软件十分简单，省去了传省去了传输时的地址选通字节。输时的地址选通字节。但在扩展器件较多时，连线较多。但在扩展器件较多时，连线较多。第8页，共49页，编辑于2022年，星期五在在SPISPI串行扩展系统中，作为主器件的单片机在启动一次传送时，串行扩展系统中，作为主器件的单片机在启动一次传送时，便便产生产生8 8个时钟个时钟，传送给接口芯片，传送给接口芯片作为同步时钟作为同步时钟，控制数据的输入和，控制数据的输入和输出。数据的传送格式是高位（输出。数据的传送格式是高位（MSBMSB）在前，低位（）在前，低位（LSBLSB）在后，如）在后
9、，如图图12-412-4所示。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SCKSCK。但对于。但对于不同的外围芯片，有的可能是不同的外围芯片，有的可能是SCKSCK的上升沿起作用，有的可能是的上升沿起作用，有的可能是SCKSCK的下降沿起作用。的下降沿起作用。图图12-412-4第9页，共49页，编辑于2022年，星期五SPISPI有有较高的数据传输速度较高的数据传输速度，最高，最高可达可达1.05Mb/s1.05Mb/s。MotorolaMotorola公司公司为广大用户提供了一系列具有为广大用户提供了一系列具有SPISPI
10、接口的单片机和外接口的单片机和外围接口芯片，如存储器围接口芯片，如存储器MC2814MC2814，显示驱动器，显示驱动器MC14499MC14499和和MC14489MC14489等芯等芯片。片。SPISPI外围串行扩展系统的外围串行扩展系统的主器件主器件是是单片机单片机，也可以不带，也可以不带SPISPI接口接口，但是，但是从从器件器件一定要有一定要有具有具有SPISPI接口接口。12.3 I12.3 I2 2C C串行总线的组成及工作原理串行总线的组成及工作原理I I2 2C C串行总线只有串行总线只有两条信号线两条信号线，一条是数据线，一条是数据线SDASDA，另一条是时钟线，另一条是时
11、钟线SCLSCL，所有连接到，所有连接到I I2 2C C总线上器件的数据线都接到总线上器件的数据线都接到SDASDA线上，各器件的时钟线线上，各器件的时钟线均接到均接到SCLSCL线上，线上，I I2 2C C总线系统的基本结构如总线系统的基本结构如图图12-512-5所示。所示。第10页，共49页，编辑于2022年，星期五它可以使具有它可以使具有I I2 2C C总线的单片机总线的单片机（如（如PHILIPSPHILIPS公司的公司的8xC552 8xC552）直接与具直接与具有有I I2 2C C总线接口的各种扩展器件总线接口的各种扩展器件（如存储器、（如存储器、I/OI/O口、口、A/
12、DA/D、D/AD/A、键盘、键盘、显示器、日历显示器、日历/时钟）时钟）连接连接。对不带有对不带有I I2 2C C接口的单片机接口的单片机（如（如89C5189C51）可采用普通的）可采用普通的I/OI/O口结合口结合软件模拟软件模拟I I2 2C C串行接口总线时序串行接口总线时序的方法，完成的方法，完成I I2 2C C总线的串行接口功能。总线的串行接口功能。12.3.112.3.1 I I2 2C C串行总线概述串行总线概述只有只有两条两条信号线信号线，一条是，一条是数据线数据线SDASDA，另一条是，另一条是时钟线时钟线SCLSCL，所有连接，所有连接到到I I2 2C C总线上器
13、件的数据线都接到总线上器件的数据线都接到SDASDA线上，各器件的时钟线均接到线上，各器件的时钟线均接到SCLSCL线上，线上，系统的基本结构系统的基本结构如如图图12-512-5所示。所示。第11页，共49页，编辑于2022年，星期五图图12-512-5第12页，共49页，编辑于2022年，星期五I I2 2C C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。信号）、发出时钟信号、传送结束时发出终止信号的器件。主器件主器件可以具有可以具有I I2 2C C总线接口，也可以不带总线
14、接口，也可以不带I I2 2C C总线接口。总线接口。从器件从器件可以是存储器、可以是存储器、LEDLED或或LCDLCD驱动器、驱动器、A/DA/D或或D/AD/A转换器、时钟转换器、时钟/日历器日历器件等，从器件件等，从器件必须带有必须带有I I2 2C C总线接口总线接口。I I2 2C C串行总线的串行总线的SDASDA和和SCLSCL是双向的，带有是双向的，带有I I2 2C C总线接口的器件的总线接口的器件的输出端为输出端为漏级开路漏级开路，故，故必须通过上拉电阻接正电源必须通过上拉电阻接正电源（见图（见图12-512-5中的两个电中的两个电阻）。阻）。总线空闲时，两条线均为高电平
15、。由于连接到总线上的器件的输出级必总线空闲时，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。上的信号变低。SCLSCL线线上的时钟信号对上的时钟信号对SDASDA第13页，共49页，编辑于2022年，星期五线上的各器件间的数据传输起同步控制作用。线上的各器件间的数据传输起同步控制作用。SDASDA线上的数据起始、线上的数据起始、终止及数据的有效性均要根据终止及数据的有效性均要根据SDASDA线上的时钟信号来判断。线上的时钟信号来判断。标准标准I I2 2C
16、C普通模式普通模式，数据的传输速率为，数据的传输速率为100kb/s100kb/s，高速模式高速模式可达可达400kb/s400kb/s。总线上总线上扩展器件的数量扩展器件的数量不是由电流负载决定，而是不是由电流负载决定，而是由电容负载由电容负载确定。确定。I I2 2C C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。件越多，电容值越大，这会造成信号传输的延迟。总线上允许的总线上允许的器件数以总线上的电容量不超过器件数以总线上的电容量不超过400pF400pF（通过驱动扩展可达通过驱动扩展可
17、达4000pF4000pF），），据此可计算出总线长度及连接器件的数量。每个连到据此可计算出总线长度及连接器件的数量。每个连到I I2 2C C总线上的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。限制。第14页，共49页，编辑于2022年，星期五I I2 2C C总总线线系系统统允允许许多多主主器器件件，为为避避免免混混乱乱，某某一一时时刻刻究究竟竟由由哪哪一一台台主主器器件件来来控控制制总总线线要要通通过过总总线线仲仲裁裁来来决决定定。读读者者可可查查阅阅I I2 2C C总总线线的的仲仲裁裁协协议议。当当
18、然然，经经常常遇遇到到的的是是以以单单片片机机为为主主器器件件，其其他他外外围围接接口口器器件为从器件的单主器件情况。件为从器件的单主器件情况。12.3.2 I12.3.2 I2 2C C总线的数据传送总线的数据传送1 1数据位的有效性规定数据位的有效性规定在在I I2 2C C总线上，每一数据位的传送都与时钟脉冲相对应，逻辑总线上，每一数据位的传送都与时钟脉冲相对应，逻辑“0”0”和逻辑和逻辑“1”1”的信号电平取决于相应电源的信号电平取决于相应电源V VCCCC的电压。的电压。I I2 2C C总线在总线在进行数据传送进行数据传送时，时，时钟线为高电平时钟线为高电平期间，数据线上的数据期间
19、，数据线上的数据必须保持稳定，只有在必须保持稳定，只有在时钟线为低电平时钟线为低电平期间，数据线上的高电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化，如或低电平状态才允许变化，如图图12-612-6所示。所示。第15页，共49页，编辑于2022年，星期五根据根据I I2 2C C总线协议，总线上总线协议，总线上数据传送的信号由起始信号（数据传送的信号由起始信号（S S）、终止）、终止信号（信号（P P）、应答信号（）、应答信号（A A）、非应答信号）、非应答信号(A(A*）以及总线数据位）以及总线数据位组组成成。图图12-612-6第16页，共49页，编辑于2022年，星期五（1 1）起始信
20、号（）起始信号（S S）。）。在在SCLSCL线线为高电平期间，为高电平期间，SDASDA线线由高电平向低电由高电平向低电平的变化表示起始信号，只有在起始信号以后，其他命令才有效。平的变化表示起始信号，只有在起始信号以后，其他命令才有效。（2 2）终止信号（）终止信号（P P）。）。在在SCLSCL线线为高电平期间，为高电平期间，SDASDA线线由低电平向高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。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，总线就起始和终止信号都是由主器件发出的，在起始信
21、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。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起始信号和终止信号如图图12-712-7所示。所示。第17页，共49页，编辑于2022年，星期五图图12-712-7 若连接到若连接到I I2 2C C总线上的器件总线上的器件具有具有I I2 2C C总线的硬件接口总线的硬件接口，则很容易检，则很容易检测到起始和终止信号。测到起始和终止信号。对于对于不具备不具备I I2 2C C总线硬件接口总线硬件接口的有些单片机（如的有些单片机（如89C5189C51），为了检），为了检测起始和终止信号，必须保
22、证在每个时钟周期内对数据线测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线SDASDA取取样两次。样两次。第18页，共49页，编辑于2022年，星期五（3 3）应答信号（）应答信号（A A）。）。I I2 2C C总线在每传送一字节数据后都必须有应答信号，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，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，如如图图12-812-8所示。所示。应答信号
23、在第应答信号在第9 9个时钟位上出现，接收方输出低电平为应答信号个时钟位上出现，接收方输出低电平为应答信号A A。（4 4）非应答信号（）非应答信号（A A*）。）。每传送完一字节数据后，在第每传送完一字节数据后，在第9 9个时钟位上个时钟位上接收方输出高电平为应答信号接收方输出高电平为应答信号第19页，共49页，编辑于2022年，星期五图图12-812-8第20页，共49页，编辑于2022年，星期五2 2I I2 2C C总线上数据字节的传送与应答总线上数据字节的传送与应答数据传送时，数据传送时，传送的字节数（数据帧）没有限制，传送的字节数（数据帧）没有限制，但是每一字节必须是但是每一字节必
24、须是8 8位位长度。长度。先传送最高位先传送最高位（MSBMSB），每一个被传送的字节后面都），每一个被传送的字节后面都必必须跟随须跟随1 1位应答位（即一帧共有位应答位（即一帧共有9 9位），位），见见图图12-812-8。接收器件收到一个完整的数据字节后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，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数据），不需要立刻接收下一字节，这时接收器件可以将SCLSCL线拉成低电平，从而使主器件处于等待状态
25、。直到接收器件准线拉成低电平，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，再释放备好接收下一个字节时，再释放SCLSCL线使之为高电平，从而使数线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。据传送可以继续进行。第21页，共49页，编辑于2022年，星期五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通知主器件，主器件则应发出终止
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