单片机原理与应用系统设计第09章 串行总线技术-01.ppt

2020 1 25 1 第9章串行总线技术 单片机原理与应用系统设计 电子工业出版社 2009 7欧伟明何静凌云刘剑等编著 2020 1 25 2 本章主要内容 串行通信基本知识RS 232 422 485总线I2C SPI MICROWIRE 1 Wire总线CAN总线USB总线 2020 1 25 3 9 1串行通信基本知识 并行通信和串行通信串行通信的传输方式通信协议 2020 1 25 4 9 1 1并行通信和串行通信 并行通信 把一个字符的各位用几条线同时进行传输 传输速度快 连接线多 P0 P1 P2 P3串行通信 把一个字符的各位按顺序依次一位接一位地进行传输 传输速度慢 连接线简单 成本低 UART 2020 1 25 5 9 1 2串行通信的传输方式 串行通信的线路传输方式 单工方式 半双工方式 全双工方式 串行通信的信号传输方式 幅移键控 ASK 由两种幅度正弦波表示 0 和 1 频移键控 FSK 由两种频率正弦波表示 0 和 1 相移键控 PSK 由正弦波两种相位表示 0 和 1 2020 1 25 6 9 1 3通信协议 通信双方对数据格式 同步方式 传送速度 传送步骤 检纠错方式以及控制字符定义等问题做出的一种约定 1 起止式异步通信协议帧格式由起始位 数据位 奇偶校验位 停止位组成 帧与帧之间是空闲位 2020 1 25 7 2 面向比特的同步协议HDLC高级数据通信链路控制协议HDLC HighlevelDataLinkControl 3 Modbus协议简介Modbus的数据通信采用主 从方式 传输模式可设置为ASCII或RTU 规定每个控制器都有自己的设备地址 2020 1 25 8 Modbus的数据校验ASCII模式采用纵向冗余码LRC校验 RTU模式采用16bits循环冗余码CRC校验 LRC校验 每2个ASCII字符转换成一个8位二进制数据 将所有的二进制数据字节相加后再取反加1即得到LRC校验码 CRC校验 将待校验的一个二进制数据除以一个多项式 得到的余数即为CRC校验码 具体的计算方法有逐位运算法和查表法 Modbus数据校验的CRC生成多项式为G x x16 x15 x2 1 2020 1 25 9 9 2串行通信EIA系列总线标准及其接口 RS 232C总线RS 422 485总线单片机与PC机之间的通信 2020 1 25 10 9 2 1RS 232C总线 1 RS 232C总线简介 点对点串行通信 采取不平衡传输方式 信号电平范围是 3V 15V和 3V 15V2 单片机扩展RS 232C总线接口实现RS 232C电平与5VTTL CMOS电平之间的转换 2020 1 25 11 9 2 2RS 422 485总线 1 RS 422总线简介 单机发送 多机接收 采取平衡传输 差分 方式 驱动器输出为 2 6 V 接收器可检测最小输入为200mV 最大通信速率10Mb s 通信距离小于15m 最大传输距离1200m 通信速率为90kb s 四线制的全双工工作方式 2020 1 25 12 2 RS 485总线简介 多点双向通信 采取平衡传输 差分 方式 驱动器输出为 2 6 V 接收器可检测最小输入为200mV 最大通信速率10Mb s 通信距离小于15m 最大传输距离1200m 通信速率为90kb s 二线制的半双工工作方式 2020 1 25 13 9 2 3单片机与PC机之间的通信 MCS 51系列单片机内部的UART经扩展RS 232C接口后 可直接与PC机串行口COM1 COM2之间进行通信 单片机扩展RS 485接口进行远距离通信时 需要在PC机端接入一个485 232通信接口转换器 1 PC机通信软件设计 MSComm控件的常用属性CommPort 设置并返回通信端口号 Settings 以字符串的形式设置并返回初始化参数 PortOpen 设置或返回通信端口的状态 Input 返回或清除接收缓冲区中的数据 Output 向发送缓冲区中写入数据 InputLen 确定被Input属性读取的字符数 MSComm控件通信方式事件驱动 中断 方法查询法 2020 1 25 14 PC通信程序 发送初始化PrivateSubForm1 send MSComm1 Commport 1 设置串口1MSComm1 Settings 9600 n 8 1 波特率9600b s 无校验 8数据位 1停止位MSComm1 OutBufferSize 512 512字节输出缓冲区MSComm1 SThreshold 0 不触发发送事件MSComm1 PortOpen True 打开串口MSComm1 InBufferCount 0 清除发送缓冲区EndSub 发送文本框中的字符串 发送以 引导 以 结束 PrivateSubCommand1 Click DimOutSasStringOutS Text1 Text 加入引导和结束符MSComm1 Output OutS 发送数据MSComm1 portOpen False 关闭串口EndSub 2020 1 25 15 2 单片机软件设计STADDREQU30HRECEIVE MOVSCON 50H UART为方式1 允许接收MOVTMOD 20H 定时器T1为波特率发送器MOVPCON 00H 波特率不加倍MOVTH1 253 波特率9600 11 0592MHzSETBTR1MOVR0 STADDRRECE1 JNBRI RECE1 等待接收字符CLRRIMOVA SBUF 读字符CJNEA 3AH RECE1 不是引导符 则返回等待SJMPRECE3 转向开始接收字符RECE2 MOV R0 A 存储一个字符INCR0RECE3 JNBRI RECE3 等待接收字符CLRRIMOVA SBUF 读字符CJNEA 24H RECE2 不是结束符 存储字符RET 2020 1 25 16 9 3三线制同步串行总线接口 SPI总线简介MICROWIRE接口简介SPI接口单片机P89LPC93x与ADC器件AD7810的通信MICROWIRE接口E2PROM器件AT93C46的应用 2020 1 25 17 9 3 1SPI总线简介 SPI SerialPeripheralInterface串行外围设备接口 是一种三线同步总线 接口协议要求接口设备按主 从方式进行配置 同一时间内 总线上只能有一个主设备 1 SPI总线接口系统MOSI 主设备数据输出 从设备数据输入线 MISO 主设备数据输入 从设备数据输出线 SCK 同步时钟 由主设备产生 每个时钟的宽度可不相同 SS 从设备使能信号 低电平有效 由主设备控制 SPI8位移位寄存器 SPI8位移位寄存器 MSB主设备LSB MSB从设备LSB SPI时钟发生器 MOSIMISO MISOMOSI CLKCLK SPI总线原理 主设备和从设备的两个移位寄存器可以看作是一个16bits的循环移位寄存器 当数据从主设备移位传送到从设备的同时 数据也以相反的方向移入 这意味着在一个移位周期中 主设备和从设备的数据相互交换 2020 1 25 19 2 SPI总线接口时序SPI主设备为了和从设备进行数据交换 根据从设备工作要求 其输出的串行同步时钟极性 CPOL 和相位 CPHA 可以进行配置 2020 1 25 20 9 3 2MICROWIRE接口简介 SO 数据输出线 SI 数据输入线 CK 同步时钟 CS 从设备使能信号 高电平有效 由主设备控制 一般情况下 MICROWIRE接口可以看成是时钟极性和时钟相位固定的 CPOL 0和CPHA 0 SPI接口 2020 1 25 21 9 3 3SPI接口单片机P89LPC93x与ADC器件AD7810的通信 1 P89LPC93x单片机SPI模块特殊功能寄存器 控制寄存器SPTCL 状态寄存器SPSTAT 数据寄存器SPDATSPR1 SPR0 选择控制SPI的时钟速率 SPEN SPI使能 CPHA SPI时钟相位选择 CPOL SPI时钟极性 MSTR 主 从模式选择 SSIG SS管脚忽略 SPIF SPI传输完成标志 WCOL SPI写冲突标志 通过软件向相应位写入 1 可将SPIF和WCOL标志清零 0E1H 0E3H 0E3H 2020 1 25 22 2 10位SPI接口ADC器件AD7810 10位低功耗高速串行A D转换器 带内部时钟 外围接线极其简单 转换时间2 S 采用SPI同步串行接口输出 单一电源 2 7V 5 5V 供电 AD7810工作模式与时序 2020 1 25 23 include LPC900单片机的SFR与标准80C51兼容 include C51内部函数描述 defineuintunsignedintsfrSPTCL 0 xe2 定义控制寄存器 sfrSPSTAT 0 xe1 定义状态寄存器 sfrSPDAT 0 xe3 定义数据寄存器 sbitCONVST P2 6 定义转换控制引脚 3 自动低功耗模式A D转换C51 启动AD7810转换一次 返回值为转换结果 uintad7810 uintx SPCTL 0 xd1 设置为主机 确定时钟模式及速率 SPSTAT 0 xc2 向标志位写1 清除标志 CONVST 1 唤醒器件并启动A D转换 CONVST 0 nop nop 等待A D转换结束 SPDAT 0 xff 发送任意数据 启动SPI接收高8位数据 while SPSTAT 127 SPI接收未结束 等待 SPSTAT 0 xc2 向标志位写1 清除标志 x SPDAT 4 读取高8位数据 SPDAT 0 xff 发送任意数据 启动SPI接收低8位数据 while SPSTAT 127 SPI接收未结束 等待 SPSTAT 0 xc2 向标志位写1 清除标志 x x SPDAT 64 读取低2位数据 与高8位数据合并 return x 2020 1 25 24 9 3 4MICROWIRE接口器件AT93C46的应用 1024B的E2PROM 可通过ORG管脚配置成128 16或256 8两种结构 ORG端接VCC或悬空时 输出为16bits 接GND时 输出为8bits AT89S51本身不含SPI接口 将其作为主机使用时 可采用普通I O口线模拟SPI或MICROWIRE总线功能 2020 1 25 25 AT93C46的指令功能表 2020 1 25 26 9 4I2C总线 I2C总线简介P89C66x系列单片机I2C总线编程规范I2C接口DAC转换器MAX517的应用 2020 1 25 27 9 4 1I2C总线简介 1 I2C总线特点 多主机总线 二线制 SDA SCL 具线与功能 总线上器件具有唯一地址 用寻址字节来寻址器件 总线仲裁功能 读写传输应答机制 半双工工作方式 2020 1 25 28 2 I2C总线协议 总线不忙 SCL和SDA保持为高电平 开始条件 SCL为高电平时 SDA由高电平向低电平的跳变 结束条件 SCL为高电平时 SDA由低电平向高电平的跳变 应答信号 接收数据的IC在接收到一个字节后 向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲 即ACK 0 表示已收到数据 为此主机必须产生一个与此信号相应的额外时钟脉冲 数据有效 在开始条件以后 时钟信号SCL的高电平期间 当数据线SDA稳定时表示数据有效 2020 1 25 29 3 I2C应答时序 每次传送的数据字节数不限 第一个字节数据是寻址字节 每一个字节必须为8bits 先传送字节最高位 每个传送的字节后面必须跟一个应答信号 2020 1 25 30 9 4 2P89C66x系列单片机I2C总线编程规范 1 P89C66x单片机I2C功能模块特殊功能寄存器 地址寄存器S1ADR P89C66x作为从器件时 用于存放自身的器件地址 最低位GC置 1 则响应广播呼叫地址00H GC清 0 时 仅响应符合自身地址的呼叫 数据寄存器S1DAT 发送 接收一个数据字节的寄存器 P89C66x通过该寄存器向总线移位发送数据或从总线接收数据 0DAH 0D8H 0DBH 0D9H 2020 1 25 31 控制寄存器S1CON ENS1 串行总线接口SIO1使能位 STA 启动起始标志 STO 停止标志 SI SIO1串行中断标志 AA 接收应答响应标志位 CR2 CR1 CR0 确定主控操作模式下串行时钟速率 状态寄存器S1SAT S1STA是一个只读寄存器 高5位有效 存放了26个I2C总线的状态码 其中在主发送方式下 可产生7个总线状态码 在主接收方式下 可产生5个总线状态码 在从接收方式下 可产生9个总线状态码 在从发送方式下 可产生5个总线状态码 SIO1的中断入口地址为002BH 中断服务程序根据这些状态码进行相应的处理 0DAH 0D8H 0DBH 0D9H 2020 1 25 32 include P89C668的硬件I2C定义与8XC552的一样 defineucharunsignedchar 申请占用总线 进行I2C时钟速率 使能 发送起始信号等初始化 voidGetBus S1CON 0 xc5 设置时钟为100k MCU主频为12M ENS1和AA置位 STA 1 申请成为主机 起动总线 while SI 0 等待起始位的发送 发送数据函数 用于向总线发送数据 voidSendByte ucharc S1DAT c S1CON 0 xc5 清除SI位等 while SI 0 等待数据发送完成 2 P89C66x单片机I2C通信主方式C51语言程序 2020 1 25 33 向无子地址器件发送字节数据函数 从器件地址sla 最低位为0 待发送的数据为c 如果返回1 表示操作成功 否则操作有误 bitISendByte ucharsla ucharc GetBus 启动总线 SendByte sla 发送器件地址 若无应答则返回 if S1STA 0 x18 S1CON 0 xd5 return 0 SendByte c 发送数据 if S1STA 0 x28 S1CON 0 xd5 return 0 S1CON 0 xd5 结束总线 return 1 2020 1 25 34 向无子地址器件读字节数据函数 从器件地址sla 最低位为0 返回字节值在c 如果返回1 表示操作成功 否则操作有误 bitIRcvByte ucharsla uchar c GetBus 启动总线 SendByte sla 1 发送器件地址 if S1STA 0 x40 S1CON 0 xd5 return 0 S1CON 0 xc1 接收一字节数据即发送非应答位 while SI 0 等待接收数据 if S1STA 0 x58 S1CON 0 xd5 return 0 c S1DAT 读取数据 S1CON 0 xd5 结束总线 return 1 2020 1 25 35 9 4 3I2C接口DAC转换器MAX517的应用 8位电压输出型数模转换器DAC 它带有总线接口 采用单5V电源工作 AT89S51本身不含I2C接口 将其作为主机使用时 可采用普通I O口线模拟I2C总线条件 发送 接收数据 2020 1 25 36 2 MAX517的工作时序 控制字节 R2 R1 R0是保留位 已预先设定为0 RST为复位位 该位为1时复位DAC器件的所有寄存器 PD为电源工作状态位 为1时 MAX517工作在4 A的休眠模式 为0时 返回正常的操作状态 A0为MAX518 519的通道地址位 对于MAX517 该位应设置为0 地址字节中前4位是类型识别符 后3位则由器件地址输入端的状态来决定 MAX517出厂时已设定前5位为01011 地址字节的最后一位为读写控制 0 时表明接下来是器件写 1 时表明接下来是器件读操作 MAX517只有器件写操作 2020 1 25 37 SCLBITP1 0 定义I2C串行时钟线SDABITP1 1 定义I2C串行数据线START SETBSDA 产生开始条件子程序SETBSCL 释放总线NOP 延时降低总线速率CLRSDA 产生开始条件NOPCLRSCL 数据修改准备RET 3 软件模拟I2C接口程序设计 STOP CLRSDA 产生结束条件子程序NOPSETBSCL 准备产生结束条件NOPSETBSDA 产生结束条件NOPRET 2020 1 25 38 接收MAX517应答信号子程序 返回时应答结果在Cy中ACK CLRSCL 保证时钟为低SETBSDASETBSCL 释放总线NOPMOVC SDA 接收MAX517应答信号CLRSCLRET 发送字节子程序 待发送数据在ACC中 返回应答在Cy中OUTBYTE MOVR0 8 输出一个字节LOOP0 CLRSCL 保证时钟为低RLCA 一位数据送入Cy中MOVSDA C 准备发送一位数据NOPSETBSCL 发送一位数据NOPCLRSCL 一位数据发送完成DJNZR0 LOOP0LCALLACK 接收应答信号RET 2020 1 25 39 MAX517输出转换子程序 输出数据在ACC中 返回Cy 0时发送正确OUT517 PUSHACC 保存输出数据LCALLSTART 输出开始条件MOVA 01011010B MAX517地址字节内容LCALLOUTBYTE 输出地址字节JCOUTEND 无应答 提前结束MOVA 00H 控制字节LCALLOUTBYTE 输出控制字节JCOUTEND 无应答 提前结束POPACC 恢复输出数据LCALLOUTBYTE 输出DAC数据PUSHACCOUTEND POPACCLCALLSTOP 输出结束条件RET 2020 1 25 40 9 5CAN总线 CAN总线简介CAN总线控制器CAN总线通信接口设计实例 2020 1 25 41 9 5 1CAN总线简介 1 CAN总线特点 不分主从的多主工作方式 分优先级的点对点 点对多点通信 非破坏性总线仲裁技术 最多为8个字节的短帧格式 CRC检验及相应的错误处理功能 通信距离10km 速率在5k s以下 通信速率1Mb s 通信距离40m 2020 1 25 42 2 CAN总线协议CAN协议模型结构为OSI底层的物理层 传输层和对象层 对象层 查找并确定接收 发送的报文 为应用层相关硬件提供接口 传输层 负责报文的收发 包括位定时及同步 报文分帧 仲裁 应答 错误检测和标定 故障界定 物理层 定义实际信号的传输方法 3 CAN总线报文传输的帧结构数据帧 由7帧起始 SOF 仲裁场 控制场 数据场 CRC场 应答场 帧结尾 EOF 组成 其中 数据场的长度可以为0 远程帧 对不同的数据传送进行初始化设置 由6个不同的位场组成 分别为帧起始 仲裁场 控制场 CRC场 应答场和帧结尾 错误帧 报告传输错误 由错误标志的叠加和错误界定符组成 过载帧 用于请求延时数据帧或远程帧 由过载标志和过载界定符组成 2020 1 25 43 9 5 2CAN总线控制器 微控制器承担节点的控制任务 负责上层应用和系统控制 包括通信协议的实现 系统控制 人机接口等 CAN控制器执行完整的CAN协议 控制CAN数据报文的收发与缓冲 完成错误界定 CAN控制器由上层微处理器控制 向微处理器提供中断和状态信息 CAN收发器用于提供CAN控制器与物理总线之间的接口 完成逻辑电平的控制和接口电气特性的处理 2020 1 25 44 9 5 3CAN总线通信接口设计实例 AD0 AD7 多路地址 数据总线 ALE 地址锁存信号输入 MODE 1 Intel模式 0 Motorola模式 RS 斜率电阻输入端 连接一个小于140k 的电阻至地可降低速率 微控制器通过对SJA1000片内寄存器编程来实现对CAN总线的控制 2020 1 25 45 9 6USB总线 USB总线原理USB总线通信接口设计实例 2020 1 25 46 9 6 1USB总线原理 1 USB总线简介 用两根差分信号线D D 传送串行数据 VBUS和GND线缆可提供最大500mA电流的 5V电源 2种接口规范USB1 1和USB2 0 USB2 0允许数据以480Mb s的速度进行传输 PC接口 即插即用 星形结构 点点连接 2020 1 25 47 2 USB总线系统 USB总线上的设备分为网络集线器和功能外设 他们分享USB带宽 网络集线器用于增加节点 功能外设为系统添加具体功能 主机识别USB设备枚举过程 使用预设的地址0获得设备描述符 设定设备的新地址 使用新地址获得设备描述符 获得配置描述符 设定配置描述符 USB系统的基本软件包括USB设备驱动程序 USB驱动程序和USB控制器驱动程序 2020 1 25 48 3 USB总线协议 主机控制端口用轮询方式负责初始化所有的数据传输 主机控制器发送一个描述传输运作的种类 方向以及USB设备地址和终端号的标志包 USB设备根据标志包内容对该次传输初始化 发送端发送数据包 接收端发送一个握手的数据包 USB协议采用了两种CRC校验码 规定用5 bit的CRC码来校验令牌包中的11 bit数据 其生成多项式为G x x5 x2 1 用16 bit的CRC码来校验USB数据包中的最多达1024字节的数据 其生成多项式为G x x16 x15 x2 1 2020 1 25 49 4 USB总线数据传输类型 USB通过通道在主机和一个USB设备的指定端口之间传输数据 通道有两种类型 流和消息 一个指定的USB设备可有许多通道 例如 一个发送数据的通道和一个接收数据的通道 USB定义了四种基本的数据传输类型 控制数据传送 对设备或通道进行设置与控制 批量数据传送 用于进行大批量数据传输 中断数据的传送 同步数据的传送 2020 1 25 50 9 6 2USB总线通信接口设计实例 TXE 有效则当前FIFO发送缓冲区空 RXF 有效表示当前FIFO接收缓冲区有数据 PWREN 区别总线是处于挂起状态还是正常状态 AT93C46用于存储产品的VID 供应商ID PID 产品识别码 设备序列号及一些说明性文字等信息 可不用 2020 1 25 51 USBDATAEQUP0USBRDEQUP1 0USBWREQUP1 1USBTXEEQUP1 2USBRXFEQUP1 3USBRENEQUP1 4 从FIFO接收缓冲区读一个字节送入累加器ARDBYTE JBUSBRXF RDBYTE 等待接收数据 低电平有效CLRUSBRD 发出读信号MOVA USBDATA 读字节SETBUSBRDRET 将累加器A中内容写入FIFO发送缓冲区WRBYTE JBUSBTXE WRBYTE 等待发送数据 低电平有效MOVUSBDATA A 输出字节内容CLRUSBWR 发出写信号SETBUSBWRRET 设备端单片机字节接收与发送子程序 2020 1 25 52 9 71 Wire单总线 1 Wire单总线简介单总线温度传感器DS18B20及其应用 2020 1 25 53 9 7 11 Wire单总线简介 1 单总线特点 通过一根信号线传送信息并为单总线芯片提供电源 每个单总线芯片通过全球唯一的访问序列号区分 独特的 总线窃电 技术 2 单总线工作原理单总线数据波形类似于脉冲宽度调制信号 利用宽脉冲或窄脉冲来实现写 0 或写 1 主机与从机之间的通信通过3个步骤完成 系统主机初始化1 Wire器件 识别1 Wire器件和数据交换 2020 1 25 54 3 单总线通信的初始化时序 基于单总线的所有传输过程都是以初始化开始的 初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成 应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪 2020 1 25 55 4 单总线的读 写时隙 在每一个时隙 总线只能传输一位数据 2020 1 25 56 9 7 2单总线温度传感器DS18B20及其应用 1 DS18B20性能特点及内部结构 测温范围 55 125 测温分辨率为12bits 可达0 0625 可自设定非易失性的报警上下限值 供电电压范围 3 0 5 5V 2020 1 25 57 2 DS18B20存储器 ROM中28H是产品厂家代号 48bits器件序列号全球唯一 电可擦写E2PROM用于存储TH TL和配置寄存器的值 通过DS18B20功能命令对RAM进行操作 数据先写入RAM 经校验后再传给E2PROM 2020 1 25 58 3 DS18B20测温过程 初始化 主机发出复位脉冲 DS18B20响应应答脉冲 ROM命令 读芯片序列号 单点系统可执行跳过ROM命令 功能命令 有启动温度转换 44H 写暂存器 4EH 读暂存器 0BEH 复制暂存器 48H 恢复E2PROM 0B8H 读取电源供电方式 0B4H 4 DS18B20与单片机的连接 2020 1 25 59 INIT CLRDQ 初始化程序MOVR2 240 拉低总线至少480 sLCALLDELAYSETBDQMOVR2 30 释放总线60 sLCALLDELAYMOVC DQ 读取应答信息至CyRET 4 DS18B20单总线通信接口程序 WRBIT CLRDQ 写一位子程序MOVR2 2 拉低总线不超过15 sLCALLD