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常用数据传输接口 v本章主要介绍I2C，SPI和1-wire三种传输总 线的传输协议及过程，为了便于大家对三种 传输总线的理解，笔者针对每种传输总线分 别介绍了AT24C02，DS1302和DS18B20三 款芯片的使用方法和应用过程。 12.1 I2C总线AT24C02设计 12.1.1 I2C总线概述 vI2C总线全称是Inter-Integrated Circuit总线， 有时也写为IIC总线，由菲利普公司推出，是 广泛采用的一种新型总线标准，也是同步通 信的一种通信形式。具有接口线少、占用的 空间非常小、控制简单、通信速率较高等优 点。所有与I2C兼容的器件都具有标准的接口 ，可以把多个I2C总线器件同时接入I2C总线 上，通过地址来识别通信对象，使它们可以 经由I2C总线相互直接通信。 12.1.2 I2C总线硬件结构图 图12.1.1 I2C总线系统的硬件结构图 12.1.3 I2C总线通信时序 vI2C总线上进行一次数据通信的时序图12.1.2 所示。 图12.1.2 I2C总线进行一次数据通信的时序图 12.1.4 数据位的有效性规定 图12.1.4 I2C总线数据位有效性规定 12.1.5 发送启动信号 图12.1.5 I2C总线启动信号时序图 12.1.6 发送寻址信号 v器件地址有7位和10位两种，这里只介绍7位 地址寻址方式。 v在I2C总线开始信号后，再发送寻址信号。送 出的第一个字节数据是SLA寻址字节，用来 选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第 8位为方向位(R/ )。 12.1.7 应答信号规定 图12.1.6 I2C总线应答信号时序图 12.1.8 数据传输 v数据传输的过程如下： v（1）假设器件A要向器件B发送信息： v器件A（主机）寻址器件B（从机） v器件A（主机发送器）发送数据到器件B（从机接收器 ） v器件A终止传输 v（2）假设器件A要读取器件B中的信息： v器件A（主机）寻址器件B（从机） v器件A（主机接收器）从器件B（从机发送器）接收数 据 v器件A终止传输 12.1.9 非应答信号规定 v当主机为接收设备时，主机对最后一个字节 不应答，以向发送设备表示数据传送结束。 12.1.10 发送停止信号 图12.1.7 I2C总线停止信号时序图 12.2 单片机模拟I2C总线通信 v在单片机模拟I2C总线通信时，需要调用一些 函数构建相应的时序。这些函数有：总线初 始化、启动信号、应答信号、停止信号、写 一个字节、读一个字节。 12.3 AT24C02的基础知识 v具有I2C总线接口的EEPROM很多，在此就 仅介绍ATMEL公司生产的AT24C系列 EEPROM，其主要型号 AT24C01/02/04/08/16等，其对应的存储容 量分别为 128x8/256x8/512x8/1024x8/2048x8。采用 这类芯片可以解决掉电数据丢失的问题，可 以对保存的数据保持100年，并可以擦除10 万次以上。 12.3.1 AT24C02引脚配置与引脚功能 图12.3.1 AT24C02芯片实物图和管脚图 12.3.2 AT24C02的特性 v与400KHz I2C总线兼容 v1.8到6.0伏电压范围 v低功耗CMOS技术 v写保护功能：当WP位高电平时进行写保护状态 v页写缓冲器 v自定时擦除写周期 v1,000,000编程/擦除周期 v可保存数据100年 v8脚DIP、SOIC或TSSOP封装 v温度范围：商业级、工业级和汽车级 12.3.3 AT24C02管脚描述 图12.3.2 单片机与AT24C02连接的电路图 v AT24C02管脚功能描述 表12.3.1 AT24C02管脚功能描述 12.4 AT24C02的应用实例 v12.4.1 设计要求 v采用定时中断方式，设计一个059s变化的 秒表，将每次显示在数码管上的时间（059 ）存入AT24C02。 图12.4.1 基于AT24C02的秒表设计原理图 12.5 SPI 总线DS1302实时时钟设计 12.5.1 SPI总线简介 vSPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写 ，中文意思是串行外围设备接口。SPI接口是 Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外 围接口，采用主从模式（Master Slave）架 构；支持多Slave模式应用，一般仅支持单 Master。时钟由Master控制，在时钟移位脉 冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后 （MSB first）；SPI接口有2根单向数据线， 为全双工通信，目前应用中的数据速率可达 几Mbps的水平。 图12.5.1 SPI 主从机接口连接图 12.5.2 接口定义数据传输 图12.5.2 SPI信号传输示意图 v接口定义数据传输 表12.5.1 SPI 的4根信号线功能表 图12.5.3 多个SPI从设备级联图 图12.5.4 多个SPI从设备独立连接图 v要注意的是：SCK信号线只由主设备控制，从设 备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备 中，至少有一个主控设备。这样的传输方式有个 优点：与普通的串行通信相比，SPI允许数据一位 一位地传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由 主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采 集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时 钟信号的控制可以完成对通信的控制。SPI还有一 个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线相 互独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。 不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据 改变和采集的时间不同，在时钟信号上升沿或下 降沿的采集有不同的定义，具体的情况需要参考 相关器件的技术文档。 12.6 DS1302的基础知识 vDS1302主要特点是采用串行数据传输，可为掉电 保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充 电功能。采用普通32.768kHz晶振。 vDS1302缺点：时钟精度不高，易受环境影响，出 现时钟混乱等缺点。 vDS1302优点：DS1302可以用于数据记录，特别是 对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据 与出现该数据的时间同时记录。 vDS1302的结构及工作原理 vDS1302工作电压为2.5V5.5V，采用三线 接口与CPU进行同步通信，并可采用突发 方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM 数据。DS1302内部有一个318的用于临时 性存放数据的RAM寄存器。DS1302是 DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但 增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时 提供了对后背电源进行涓细电流充电的能 力。 vDS1302实物及引脚图，如图 图12.6.1 DS1302实物及引脚图 vDS1302串行时钟由电源、输入移位寄存器 、命令控制逻辑、振荡器、实时时钟以及 RAM组成，其结构图如图 图12.6.2 DS1302结构图 vDS1302的控制字节 图12.6.3 DS1302单字节数据读/写时序 12.7 DS1302显示时钟的实例 v12.7.1 设计要求 v用DS1302设计一个数字时钟。 图12.7.1 DS1302电路连接原理图 12.8 1-Wire总线介绍 及DS18B20测量温度设计 v12.8.1 1-wire单总线概述 图12.8.1 1-wire总线示意图 12.8.2 DS18B20的基础知识 v以Dallas公司生产的DS18B20芯片为例， DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一 种改进型智能数字温度传感器，与传统的热 敏电阻相比，它只需一根导线就能直接读出 被测温度，并可以根据实际需求编程实现 912位数字值的读数方式。它有三种封装形 式 图12.8.2 三种封装形式及芯片的外形图 vDS18B20内部结构 图12.8.3 DS18B20内部结构框图 vDS18B20的工作原理 图12.8.4 DS18B20的测温原理图 12.9 DS18B20测量温度的实例 v12.9.1 设计要求 vDS18B20它在一根数据线上实现数据的双向 传输，这就需要一定的协议来对读/写数据提 出严格的时序要求，而AT89系列单片机并不 支持单线传输。因此，必须采用软件的方