第6章(1)ppt.ppt

1、第6章 总线接口技术,前言 6.1 串行通信基本概念 6.2 串行通信标准总线（RS-232-C） 6.3 SPI总线,第6章 总线接口技术,随着微型计算机控制技术的不断发展，现在已经生产出多种专用工业控制机。这些控制机大都采用模块式结构，具有通用性强，系统组态灵活等特点，因而具有广泛的适用性。 在这些工业控制机中，除了主机板之外，还有大量的用途各异的I/O接口板，如A/D和D/A转换板、步进电机控制板、电机控制板、内存扩展板，串/并行通信扩展板、开关量输入/输出板等。为了使这些功能板能够方便地连接在一起，必须采用统一的总线,微机控制技术,第6章 总线接口技术,总线有并行和串行两种。在这一章里

2、，主要介绍几种工业过程控制中常用的串行总线，如RS-232-C、RS-422、RS-485、SPI总线、I2C总线以及现场总线等,微机控制技术,第6章 总线接口技术,总线有并行总线和串行总线两种。 （1）并行总线 N位数据一次传送，因此传送速度快。 需要N条传输线，故价格较高。 主要用于模块与模块之间的连接。 （2） 串行总线 一位一位地传送，因此传送速度较慢。 只需一条传输线，所以价格低。该总线主要用于远距离通信。 主要介绍几种工业过程控制中常用的串/并行总线,微机控制技术,6.1 串行通信基本概念,随着微型计算机技术的发展，微型机的应用正在从单机向多机过渡。多机应用的关键是相互通信。特别在

3、远距离通信中，并行通信已显得无能为力，通常大都须采用串行通信方法。在这一节里，首先介绍串行通信的基本概念，然后介绍几种常用的串行通信总线，如RS-232-C，RS-485等。此外，还介绍几种单片机专用总线，如SPI总线，I2C总线等。最后,讲一下现场总线。它的出现，使微型计算机控制系统正经历着一场新的革命,微机控制技术,6.1 串行通信基本概念,6.1.1 数据传送方式 6.1.2 异步通信和同步通信,6.1.1 数据传送方式,在微型计算机系统中，处理器与外部设备之间的数据传送方法有两种： （1）并行通信数据各位同时传送； （2）串行通信数据一位一位地按顺序传送。 如图6.1所示就是这两种传送

4、方式的示意图,微机控制技术,图 6.1 并行通信与串口通信的数据传送方式,微机控制技术,6.1.1 数据传送方式,如图6.1所示可以看出，在并行通信中，数据有多少位就需要有多少根传输线，而串行通信无论数据有多少位只需要一对传输线。因此，串行通信在远距离和多位数据传送时，有着明显的优越性。但它的不足之处在于数据传送的速度比较慢。本节主要介绍有关串行通信的基本概念。 在串行通信中，数据传送有3种方式：单工方式、半双工方式和全双工方式,微机控制技术,6.1.1 数据传送方式,1. 单工方式（Simplex Mode） 在这种方式中，只允许数据按一个固定的方向传送，如图6.2（a）所示。图中A只能发送

5、数据，称为发送器（Transfer）；B只能接收数据，叫做接收器（Receiver）。而数据不能从B向A传送,微机控制技术,6.1.1 数据传送方式,2. 半双工方式（Half-Duplex Mode） 半双工方式如图6.2（b）所示。在这种方式下，数据既可以从A传向B，也可以从B向A传输。因此，A，B既可作为发送器，又可作为接收器，通常称为收发器（Transceiver）。从这个意义上讲，这种方式似乎为双向工作方式。但是，由于A，B之间只有一根传输线，所以信号只能分时传送,微机控制技术,6.1.1 数据传送方式,即在同一时刻，只能进行一个方向传送，不能双向同时传输。因此，将其称为“半双工”方

6、式。在这种工作方式下，要么A发送，B接收；要么B发送，A接收。当不工作时，令A，B均处于接收方式，以便随时响应对方的呼叫,微机控制技术,6.1.1 数据传送方式,3. 全双工方式（Full-Duplex Mode） 虽然半双工方式比单工方式灵活，但它的效率依然比较低。主要原因是从发送方式切换到接收方式需要一定的时间，大约为数毫秒。重复线路切换所引起的延迟积累时间是相当可观的。另一方面，也是更重要的，就是在同一时刻只能工作在某一种方式下，这是半双工效率不高的根本原因所在,微机控制技术,6.1.1 数据传送方式,解决的方法是增加一条线，使A，B两端均可同时工作在收发方式，如图6.2（c）所示。将图

7、6.2（c）与图6.2（b）相比，虽然对每个站来讲，都有发送器和接收器，但由于图（c）中有两条传输线，用不着收发切换，因而传送速率可成倍增长,微机控制技术,图6.2 串行数据传送方式示意图,微机控制技术,6.1.1 数据传送方式,值得说明的是，全双工与半双工方式比较，虽然信号传送速度大增，但它的线路也要增加一条，因此系统成本将增加。在实际应用中，特别是在异步通信中，大多数情况都采用半双工方式。这样，虽然发送效率较低，但线路简单、实用，对于一般系统也基本够用,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,根据在串行通信中数据定时、同步的不同，串行通信的基本方式有两种：异步通信（Asynchron

8、ous Communication）和同步通信（Synchronous Communication,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,1. 异步通信 异步通信是字符的同步传输技术。 数据以字符为单位传输。当发送一个字符代码时，字符前面要加一个“起始”信号，其长度为一位，极性为“0”，即空号（Space）状态；规定在线路不传送数据时全部为“1”，即传号（Mark）状态。字符后边要加一个“停止”信号，其长度为1，1.5或2位，极性为“1”。字符本身的长度为58位数据，视传输的数据格式而定。例如，当传送的数字（或字符）用ASCII码表示时，其长度为7位。在某些传输中，为了减少误码率，经常

9、在数据之后还加一位“校验位,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,由此可见，一个字符由起始位（0）开始，到停止位（1）结束，其长度为712位。起始位和停止位用来区分字符。传送时，字符可以连续发送，也可以断续发送。不发送字符时线路保持“1”状态。字符发送的顺序为先低位后高位。 综上所述，异步串行通信的帧格式，如图6.3所示,微机控制技术,图6-3 异步串行通信格式,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,异步通信的优点是收/发双方不需要严格的位同步。也就是说，在这种通信方式下，每个字符作为独立的信息单元，可以随机地出现在数据流中，而每个字符出现在数据流中的相对时间是随机的。然而一个

10、字符一旦发送开始，字符的每一位就必须连续地发送出去。由此可见，在异步串行通信中，“异步”是指字符与字符之间的异步，而在字符内部，仍然是同步传送。在异步通信中，由于大量增加了起始停止和校验位，所以，这种通信方式的效率比较低。其最高效率（传送8bit数据，1bit停止位，1bit校验位）也只有8/（8+3）=73,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,2. 同步通信 同步通信的特点是不仅字符内部保持同步，而且，字符与字符之间也是同步的。在这种通信方式下，收/发双方必须建立准确的位定时信号，也就是说收/发时钟的频率必须严格地一致。同步通信在数据格式上也与异步通信不同，每个字符不增加任何附加位

11、，而是连续发送。但是在传送中，数据要分成组（帧），一组含多个字符代码或若干个独立的码元,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,为使收/发双方建立和保持同步，在每组的开始处应加上规定的码元序列，作为标志序列。在发送数据之前，必须先发送此标志序列，接收端通过检测该标志序列实现同步,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,标志序列的格式因传输规程不同而异。例如，在基本型传输规程中，利用国际NO.5代码中的“SYN”控制系统，可实现收/发双方同步。又如在高级数据链路规程（HDLC）中，是按帧格式传送的，利用帧标志符“01111110”来实现收/发双方的同步的。两种传送方法如图6.4所示,

12、微机控制技术,图6.4 两种同步传送格式,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,同步通信方式适合2400 bps以上速率的数据传输。由于不必加起始位和停止位，所以，传输效率比较高。其缺点是硬件设备较为复杂，因为它要求有时钟来实现发送端和接收端之间的严格同步，因此还要用锁相技术等来加以保证,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,例如，一种很常见的数据链路结构是HDLC，一般包含48bit的控制信息、前同步码和后同步码。因此，对于一个1000个字符的数据块，每个帧包括48bit的额外开销，以及10008=8000bit的数据，由此可求出其额外开销仅占48/（8000+48）100%

13、=0.6,微机控制技术,6.1.2 异步通信和同步通信,同步通信用于计算机到计算机之间的通信以及计算机到CRT或外设之间的通信等,微机控制技术,62 串行通信标准总线（RS-232-C,1、在进行串行通信接口设计时，主要考虑： 接口方法 传输介质 电平转换。 2、标准总线及配套接口芯片 标准总线 RS-232-C，RS-422、RS-485和20mA电流环等。 接口芯片 为串行接口设计带来极大的方便。 串行接口的设计主要是确定一种串行标准总线，其次是选择接口控制及电平转换芯片,微机控制技术,62 串行通信标准总线（RS-232-C,6.2.1 RS-232-C 6.2.2 RS-485 6.2

14、.3 多机通信,6.2.1 RS-232-C,RS-232-C 美国电子工业协会（E I A）1962年公布， 1969年最后一次修订而成。 主要用途 定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE） 和数据通信设备（DCE）之间 接口的电气特性。 如 CRT、打印机 与 CPU 的通信大都采用 RS-232-C 总线。 MCS-51系列单片机使用RS-232-C串行总线极为方便,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,1. RS-232-C的电气特性 RS-232-C 标准 （1）规定高电平为+3V+15V， 低电平为-3V-15V（高、低电平要求对称）。 （2）RS-232-C 数据线 Tx

15、D、RxD 的电平使用负逻辑： 低电平表示逻辑 1，高电平表示逻辑 0。 （3）控制线均采用正逻辑， 最高能承受 30V 的信号电平,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,RS-232-C 不能直接与 TTL 电路连接 使用时必须加上适当的电平转换电路： 如： MC1488 （ TTL电平 RS-232-C电平） （ 电源电压为15V或12V ） MC1489 （ RS-232-C电平 TTL电平） （电源电压为5V,微机控制技术,特别说明,补充 RS-232-C电平转换电路,微机控制技术,功能更强的 RS-232-C 的接口芯片,适用于手提电脑的 RS-232-C 的接口芯片： 电源（

16、3.35V） 传输速率 几十Kbps 1 Mbps。 接收和发送功能集成在一块芯片上。 一片包含多个线路驱动器（TX）和接收器（RX）。 带 P（微处理器）监控系统。 含 15kV 的静电放电保护（ESD）功能 及IEC-1000-4-2空隙放电保护。 自动关断功能的芯片。 多种封装形式，如DIP（双列直插封装）、SO（小型表贴）、SSOP（紧缩的小型表贴）、Max（微型Max）等,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,工业级 RS-232-C 标准接口芯片 MAX232。 接收/发送一体化接口 两个线路驱动器（TX） 两个接收器（RX） 16脚 DIP/SO 封装型。 由 4 部分组成

17、：电压倍增器、电压反向器、 发送器、接收器。 RS-232只需用 +5V 单电源即可,微机控制技术,图6.5 MAX220/232/232A管脚分配及应用电路,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,这些芯片其收发性能与1488/1489基本相同，只是收发器路数不同,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,2. RS-232-C的应用 MCS-51单片机内部设有串行接口，可直接利用串行接口和 RS-232-C 电平转换芯片实现串行通信。 串口输出和输入均为 TTL 电平，需要接RS-232-C的电平转换芯片。 （1）简单的RS-232电路（补充） 采用 MAX232 作为电平转换,微机

18、控制技术,图6.7 8051单片机串行接口电路图,微机控制技术,TTL 电平,CMOS 电平,6.2.1 RS-232-C,设计：实现单片机 8031 与主机之间进行通信, 设单片机的时钟频率是 11 MHz。 。 要求 : 通信速率为 4800 波特。 思路：选用串行口工作在方式 1。 数据格式： 通信速率： 取决于定时计数器 T1 的溢出速率和 波特率控制位 SMOD 有关。 计算公式： 波特率 = (2 /32)(定时器T1的溢出率) （5-1） X = 28 20 / 11MHz / 384 4800 = 250 = 0FAH,微机控制技术,SMOD,T1 的溢出率 = fosc /

19、12 ( 2N X,方式 2,波特率 = f / 64,6.2.1 RS-232-C,主程序 ORG 2000H START： MOV TMOD，#20H ；定时器T1为方式2 MOV THl， #0FAH MOV TLl， #0FAH ；波特率为4800 MOV PCON，#00H ；置SMOD=0 SETB TRl ；启动T1计数开始 MOV SCON，#50H ；串口方式1 CLR RI ；清接收标志 CLR TI ；清发送标志 HERE: AJMP HERE ；模拟主程序,功 能 程 序,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,数据发送程序 SEDATA：MOV R0，#20H W

20、AIT： JNB TI，$ ；等待发送完一个字符 MOVX A，R0 ；取一个字符 MOV SBUF，A ；送串口 INC R0 CLR TI CJNE A，#0AH，WAIT RET,微机控制技术,将外存中地址为 20H 开始的 10 个单元的数据以查询方式输出,6.2.1 RS-232-C,接收子程序 RVDATA： MOV R0, #20H RXDW： JNB RI， $ CLR RI MOV A SBUF MOVX Ro，A INC R0 CJNE A，#0AH，RXDW RET,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,在实际工程中: 发送子程序是可以实际应用的 只要数据准备好后即

21、可调用。 接收子程序来说，概念上可以理解，但并不实用。 原因是通信对方何时发来数据是不可知的。 在实时性要求不高的应用中， 发送采用查询方式而接收采用中断方式工作。 在要求高的场合发和收都要采用中断工作,微机控制技术,关于上述程序的说明,2）单片机双机通信,参数计算 波特率（2SMOD/32）（定时器T1的溢出率） 定时器T1的溢出率 fOSC/12 (2nX) 计数器T1的初值： X2n2SMODfOSC/384波特率 设SMOD0，fOSC为11MHz，波特率为4800b/s，则可计算出初值X250FAH,程序设计 ；主程序 ORG2000H START：MOVTMOD，#20H ；定时器

22、T1为方式2 MOVTHl，#0FAH MOVTLl，#0FAH ；波特率为4800 MOVPCON，#00H；置SMOD0 SETBTRl；启动T1计数开始 MOVSCON，#50H ；串口方式1 MOVR0,#20H ;发送缓冲区首址 MOVR1,#40H ;接收缓冲区首址 SETBEA；开中断 SETBES；允许串行口中断 LCALLSOUT；先输出一个字符 HERE:AJMP HERE；模拟主程序,中断服务程序 ORG0023H ；串行中断入口 LJMPSBR1 ；转至中断服务程序 ORG0100H SBR1：JNBRI，SEDATA ；不是接收则转发送 LCALLSINDATA ；转

23、接收 SJMPNEXT ；转至程序出口,数据发送程序 SEDATA：MOVR0，#20H WAIT：JNBTI，$；等待发送完一个字符 MOVXA，R0；取一个字符 MOVSBUF，A；送串口 INCR0 CLRTI CJNEA，#0AH，WAIT RET,接收子程序 RVDATA：MOVR0，#20H RXDW：JNBRI，$ CLRRI MOVA，SBUF MOVXR0，A INCR0 CJNEA，#0AH，RXDW RET,2）单片机与PC机之间的通信,单片机AT89S52的主要工作于方式1，通过查询接收中断位RI和发送完毕中断位TI实现数据的可靠传输。 串行中断服务程序用于接收数据。如

24、果接收到0FFH，表示上位机需要联机信号，单片机发送0FFH作为应答信号；如果接收到数字1n,表示相应的功能。 假设收到1，单片机向PC机发送字符a;如果收到2，单片机向PC机发送字符k; 如果收到其他数据，单片机向PC机发送字符m,ORG 0000H LJMPMAIN ORG 0023H；串行中断服务程序 LJMPSINT ORG0100H MAIN：MOVSP，#60H;设置堆栈 MOVTMOD，#20H；设置T1工作方式2 MOVTH1，#0F3H；定时器重装值 MOVTL1，#0F3H；定时器初值，波特率2400 MOVPCON，#00H；波特率不倍增,MOVSCON，#50H；设置串

25、口工作方式1，REN=1允许接收 SETBES；允许串行中断 SETBEA；允许总的中断 SETBTR1；定时器开始工作 HERE：SJMPHERE；模拟主程序,串行中断服务程序 SINT：CLRES；禁止串行中断 CLRRI；清除接收标志位 MOVA，SBUF；从缓冲区取出数据 MOVDPTR，#TABLE CJNEA，#0FFH，IN1；检查数据 MOVSBUF，#0FFH ；收到0FFH，发送联机信号 JNBTI，$；等待发送完毕 CLRTI；清除发送标志 SETBES；允许串行中断 RETI,发送“a” IN1：CJNEA，#01H，IN2;如果收到1 MOVCA+DPTR MOVSB

26、UF，A；发送a JNBTI，$ ；等待发送完毕 CLRTI ；清除发送标志 SETBES；允许串行中断 RETI,发送“k” IN2：CJNE A，#02H，IN3;如果收到2 MOVCA+DPTR MOVSBUF，A；发送k JNBTI，$；等待发送完毕 CLRTI；清除发送标志 SETBES；允许串行中断 RETI,发送“m” IN3：MOVA，#03H;如果收到3 MOVCA+DPTR MOVSBUF，A；发送m JNBTI，$；等待发送完毕 CLRTI；清除发送标志 SETBES；允许串行中断 RETI TABLE：DB2,a,k,m END,6.2.1 RS-232-C,3. RS

27、-232-C 机械特性及引脚的功能 RS-232-C 标准总线为 25 条线， 分为两类 ： 信息：TxD 和 RxD； 联络信号,微机控制技术,6.2.1 RS-232-C,1）传送信息信号 2 发送数据TxD（Transmitting Data） 3 接受数据RxD（Receive Data） （2）联络信号 这类信号共有6个： 4请求传送信号RTS（Request To Send） 5清除发送CTS（Clear To Send） 数据准备就绪DSR（Data Set Ready） 数据终端就绪信号DTR（Data Terminal Ready） 数据载波检测信号DCD（Data Carr

28、ier Detect） 振铃指示信号RI（Ring Indication,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,RS-232-C虽然使用很广，但由于推出时间比较早，所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点，主要表现在： （1）传送速率不够快。 （2）传送距离不够远，一般不超过15m。 （3）RS-232-C未明确规定连接器，因而出现了互不兼容的25芯连接器。 （4）接口使用非平衡发送器，电器性能不佳。 （5） 接口处各信号间容易产生串扰,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,所以，近几年EIA作了部分改进，于1977年，制定了新标准RS-449，与RS-449一起推出

29、的还有RS-423-A和RS-422-A。实际上，它们都是RS-449标准的子集。下边主要介绍RS-423-A和RS-422-A,微机控制技术,1. RS-423-A/RS-422-A,与RS-232-C类似，RS-423-A也是一个单端的、双极性电源的电路标准但它提高了传送设备的传送数据速率。在速率为1000波特时，距离可达1200m，在速率为100 k波特时，距离可达90m。 RS-423-A/RS-422-A也是负逻辑且参考电平为地，但不同的是RS-232-C规定为-5+15V，而这两个标准规定为-6+6V,微机控制技术,RS-422-A规定了差分平衡的电气接口，它能够在较长距离明显地提

30、高数据传送速率， 传输速率 1200m 100 k波特， 12m 10M波特,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,a）为RS-232-C，单端驱动单端接收电路，只用一根导线，是最简单的连接结构。但无法区分有用信号及干扰信号。 （b）RS-423-A，差分电路接收器，接受器的另一端接发送端的信号地，（因而大大地减少了地线的干扰。 （c） RS-422-A,平衡驱动和差分接收方法，从根本上消除了地线干扰。RS-423-A/RS-422-A的另一个优点是允许传送线上连接多个接收器,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,RS-423-A/RS-422-A的另一个优点是允许

31、传送线上连接多个接收器。虽然在RS-232-C系统中可以使用多个接收器循环工作，但它每一时刻只允许一个接收器工作。而RS-423-A/RS-422-A可允许10个以上接收器同时工作。关于多站连接方法将在下一小节讲述,微机控制技术,2. RS-485,RS-485与RS-422总线的的区别： RS-422为全双工，而RS-485为半双工； RS-422采用两对平衡差分信号线，RS-485只需其中的一对。 RS-485更适合于多站互连，一个发送驱动器最多可连接32个负载设备,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。此电路结构在平衡连接电缆两端有

32、终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接收器或组合收发器。 两种总线的连接方法如图6-9所示,微机控制技术,图6-8 RS-485/RS-422接口连接方法,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,图（a）为RS-485连接电路。在此电路中，某一时刻只能有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收。因此，其发送电路必须由使能站加以控制。 图（b）由于是双工连接方式，故任一时刻两站都可以同时发送和接收,微机控制技术,对于一个通信子站来讲，RS-422和RS-485的驱动/接收电路没有多大差别，详见表6.1。 和RS-232-C标准总线一样，RS-422和RS-485两种总线也需要专用的接口芯片

33、完成电平转换。下边介绍一种典型RS-485/RS-422接口芯片,微机控制技术,表6.1 RS-422与RS-485的比较,接 口,项 目,微机控制技术,表6.1 RS-422与RS-485的比较(续,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,MAX481E/MAX488E是低电源（只有+5V）RS-485/RS-422收发器。每一个芯片内都含有一个驱动器和一个接收器，采用8脚DIP/SO封装。除了上述两种芯片外，和MAX481E相同的系列芯片还有MAX483E/485E/487E/1487E等等，和MAX488E相同的有MAX490E。这两种芯片的主要区别是前者为半双工，后者为全双

34、工。它们的管脚分配及原理如图6-10所示,微机控制技术,图6-9 MAX481E/488E结构及管脚图,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,从图6-10可以看出，(a)、(b)两种电路共同点是都有一个接收输出端RO，和一个驱动输入端DI。不同的是，图(a)中只有两个信号线，A和B 。A为同相接收器输入和同相驱动器输出；B为反相接收器输入和反相驱动器输出。而在 (b)图中，由于是双工的，所以信号线分开，为A、B、Z、Y。这两种芯片由于内部都含有接收器和驱动器，所以每个站只用一片即可完成收发任务。其接口电路如图6-10所示,微机控制技术,6.22 RS-422/RS-485,MAX

35、481E/483E/485E/487E/491E和MAX1487E是为多点双向总线数据通讯而设计的。如图6-12和5-13所示，也可以把它们作为线路中继站，其传送距离超过1200m,微机控制技术,图 6.11 MAX481E/MAX488E连接电路图a,微机控制技术,图 6.10 MAX481E/MAX488E连接电路图b,微机控制技术,图6-11 MAX481E/483E/485E/487E/1487E典型的RS-485半双工网络,微机控制技术,图6-12 MAX488E/489E/490E/MAX491E全双工RS-485网络,微机控制技术,6.2.3 多机通信,多机通信设单片机工作于方式

36、2或3，该方式发送数据格式每一帧是11位，如图6.14所示。 1位是起始位（0），8位数据位（低位在前），1位可设置的第9位数据和1位停止位。 其中，第9位可识别发送的前8位数据是数据帧还是地址帧，该位为1为地址帧，为0则为数据帧，此位可通过对SCON寄存器的TB8位赋值来置位。 当TB8为1时，单片机发出的一帧数据中第9位为1，否则为0,作为接收方（本例为从机）的串行口也同样工作在工作方式2和方式3状态，它的SM2和RB8（接收到的第9位）的组合是： （1）若从机的控制位SM2设为1，则当接收数据的第9位为1时，即地址帧时，数据装入SBUF，并置RI为1，向CPU发出中断申请；则当接收数据的

37、第9位为0时，即数据帧时，不会产生中断，信息被丢弃。 （2）若从机的控制位SM2设为0，则无论是地址帧还是数据帧都将产生RI=1的中断标志，8位数据均装入SBUF,1系统硬件设计,单片机P1口的低5位作为地址译码线，因此，可以译出32个地址，其二进制数为0000011111。每个从机的地址可以通过拨动拨码开关的位置来设定,2系统软件设计 通信过程： （1）主机处于发送状态。由于是发送状态，所以SM2=0或SM2=1均可，首先发送的是地址帧，此时SCON中的TB8=1，表示发送的是地址标识。 （2）主机发送地址标识后，设置SM2=1，主机处于接收地址的状态，等待从机的应答。 （3）所有的从机都处

38、于接收状态，他们会同时收到主机发来的地址码，分别与各自的地址码比较后，只有与主机发送的地址相符的的从机才进行下一步的应答处理，其余各从机仍处于接收状态,4）地址相符的的从机进行应答，使自己的SCON中的TB8=1，向主机发送自己的标识码，然后置SCON中的SM2=0，进入数据接受状态。 （5）主机收到从机发送的地址标识码，至此，通信双方握手成功。 （6）主机设置SM0=0，主机开始发送数据或数据块，发送结束后，主机返回到初始状态。 （7）因为只有和主机地址标识符相符的从机才能接收到数据，接收完后，将根据最后的校验结果判断数据接收是否正确，若正确，则向主机发送数据正确信号。然后，从机也返回初始状

39、态。此时，一次通信完成,图6.16 主机程序流程图,图6.17 从机程序流程图,6. 3 SPI总线,串行总线系统依靠一定的通信协议，只用很少几根线，就 能完成有效的数据传送,微机控制技术,常见的串行接口总线 Motorola 公司的 SPI（Serial Peripheral Interface）总线、 PHILIPS公司的 I2C总线、 国家半导体公司的 NS8085U， Microwire 、Intel 和 Duracell 公司提出的SMBus （System Management Bus）等。 在这一节里，主要介绍 SPI 总线,系统处理,6. 3 SPI总线,SPI 是 增强型单片

40、机MC68HC70508A（ Motorola）的上的串行接口。 能与外部设备进行全双工、同步串行通信。 其功能类似MCS-51系列单片机串行口中的方式0。 关于MC68HC70508A单片机的详细内容请参看 Motorola公司的有关资料,微机控制技术,6. 3 SPI总线,SPI具有如下特点： 全双工操作 主从方式 有 4 种可编程主方式频率（最大为1.05MHz） 最大从方式频率为 2.1 MHz 具有可编程极性和相位的串行时钟 6. 有传送结束中断标志 7. 有写冲突出错标志 8. 有总线冲突出错标志 不为低,微机控制技术,6. 3 SPI总线,6.3.1 SPI的内部结构 6.3.2

41、 SPI的工作原理 6.3.3 多机SPI系统 6.3.4 串行时钟的极性和相位 6.3.5 SPI中断 6.3.6 直接采用SPI总线接口芯片的应用 6.3.7 SPI总线模拟程序设计,6.3.1 SPI的内部结构图6.14 SPI接口内部结构,SPI接口的内部结构图如6.18所示,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,从图6.14中可以看出，SPI接口由SPI移位寄存器、SPI控制电路、管脚控制逻辑、除法器、时钟逻辑以及控制寄存器（SPCR）、状态寄存器（SPSR）、数据寄存器（SPDR）等组成。SPI 移位寄存器主要完成串/并数据之间的转换；管脚控制逻辑主要控制PD2/MISO，P

42、D3/MOSI，PD4/SCK以及PD5/ 4个管脚的工作方式；除法器则是系统时钟的分频器，由程序控制选择4种不同的时钟频率；SPI控制电路用来控制串行工作状态及错误信息；3个SPI寄存器SPCR，SPSR和SPDR，主要用来保存各种状态信息及数据,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,1SPI数据寄存器（SPDR） 图6.15所示的SPDR是用于SPI所接收字符的读缓冲器。写一个字节到SPDR中，就是把该字节直接放入SPI移位寄存器,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,2SPI控制寄存器（SPCR） SPCR各位的功能如图6.16所示。 SPCR具有下列功能： 允许SPI中断请

43、求； 允许SPI； 设置SPI为主或从方式； 选择串行时钟极性、相位和频率,微机控制技术,图6.15 SPI数据寄存器（SPDR）图6.16 SPI控制寄存器（SPCR,图6.19 SPI数据寄存器（SPDR,图6.20 SPI控制寄存器（SPCR,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,图6.20所示的SPCR寄存器各位的功能： SPIESPI中断允许位，该读/写位允许SPI中断。复位时该位被清零。该位置“1”，表示允许SPI中断；置“0”表示禁止SPI中断。 SPESPI复位允许位，该读/写位允许SPI复位。复位时该位将被清零。该位为1时，允许SPI复位；为0时禁止SPI复位。 MST

44、R主机位，该位用来选择主/从工作方式。复位时为零。该位为1时，选择主方式；为0时，选择 从方式,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,CPOL时钟极性位，该读/写位决定各发送数据之间PD4/SCK管脚的状态。为了在SPI总线上传送数据，各SPI必须有相同的CPOL位，复位不影响CPOL位。该位为1时表示传送数据间PD4/SCK管脚为逻辑1，为0时表示传送数据间PD4/SCK管脚为逻辑0。 CPHA时钟相位位。该读/写位用来控制串行时钟和数据之间的时序关系,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,为了在SPI总线上传送数据，各SPI之间必须有相同CPHA位。复位时对该位没有影响。 该位

45、等于1时，表示PD4/SCK上第一个有效沿后的下一个有效沿锁存数据。该位为0时，表示PD4/SCK上第一个有效沿锁存数据,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,SPR1和SPR0 SPI时钟速率位。这些读/写位用来选择主方式的串行时钟速率，如表6.2所示。从SPI的这两位对串行时钟无影响,微机控制技术,表6.2 SPI时钟速率选择表,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,3SPI状态寄存器（SPSR） 图6.17所示为SPSR中的标志位。在下列条件下，将产生置位信号： SPI发送完毕 写冲突 方式错,图6.21 SPI状态标志寄存器（SPSR,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部

46、结构,其中： SPIFSPI标志位。该位是可清除的位，并且只能读，不能写。每当移出或移入到移位寄存器中一个字节时，该位被置位。如果SPCR中的SPIE也是置位状态，则SPIF产生一个中断请求。当SPIF置位时通过读SPSR可以清除SPIF，然后读（或写）SPDR。复位时该位被清除。该位为1时，表示传送完毕。该位为0时，表示传送未完,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,WCOL写冲突位。和SPIF一样，该位也是可清除的位，并且只能读，不能写。在传送过程中，软件对SPDR进行写时，该位置位。当WCOL置位时，可以用读SPSR的方法清除这一位；可以读和写SPDR，复位也将清除该位。该位置1，

47、表示写SPDR无效。该位置0，表示写SPDR有效,微机控制技术,6.3.1 SPI的内部结构,MODF方式错位。该位也是只读并可清除位。当MSTR位置位时，在PD5/管脚上产生逻辑0时，MODF被置位。如果此时SPIF位也被置位，则MODF产生一个中断请求。清除及复位对它的影响同WCOL位。 该位置1，当MSTR位置位时，PD5/为低；该位置0，当MSTR位置位时，PD5/不为低,微机控制技术,6.3.2 SPI的工作原理,主/从式 SPI 允许在主机与外围设备（包括CPU ）之间进行串行通信。 当主机的 SPI 8位移位寄存器把一个字节传送到另一设备时，来自接收设备的一个字节也被送到主机 S

48、PI 的移位寄存器。 主 SPI 的时钟信号与数据传送是同步的,微机控制技术,6.3.2 SPI的工作原理,只有主SPI可以对传送过程初始化。 软件通过写入SPI数据寄存器（SPDR）的方法开始从主 SPI 传送数据。 在 SPI 传送过程中，SPDR 不能缓冲数据，写到 SPI 的数据直接进入移位寄存器，并在串行时钟控制下立即开始传送。 当经过 8 个串行时钟脉冲以后，SPI标志开始置位时，传送结束。同时SPIF置位，从接收设备移位到主SPI的数据被传送到SPDR。因此，SPDR所缓冲的数据是SPI所接收的数据。在主SPI传送下一个数据之前，软件必须通过读SPDR清除SPIF标志位，然后再执

49、行,微机控制技术,6.3.2 SPI的工作原理,在从SPI中，数据在主SPI时钟控制下进入移位寄存器，当一个字节进入从SPI之后，被传送到SPDR。为了防止越限，从机的软件必须在另一个字节进入移位寄存器之前，先读SPDR中的这个字节，并准备传送到SPDR中。 图6.22所示表示主SPI与从SPI进行数据交换的过程,微机控制技术,图6.18 主机/从机数据传送方法,微机控制技术,6.3.2 SPI的工作原理,从图6.22 可以看出，实际上可以把两个8位的主、从寄存器看成一个循环的16位的寄存器。在传输时，只需这个16位寄存器循环移位8次，即可完成一次数据交换,微机控制技术,6.3.2 SPI 的

50、工作原理,当主CPU进入停止方式时，波特率发生器停止工作，进入所有主方式SPI操作。如果在SPI传送时执行STOP指令，则发生器暂停，直到IRQ管脚为低电平退出停止方式时为止。如果用复位来退出停止方式，SPI控制和状态位被清除，并且SPI被禁止,微机控制技术,6.3.2 SPI的工作原理,在执行STOP指令时，如果主CPU是在从方式下，从SPI将继续运行，并仍能接收数据和时钟信息，以及把本身的数据返回到主机。对于从SPI，在传送结束时不置标志位，直到IRQ信号唤醒CPU为止。 值得注意的是，虽然从SPI在停止方式时可以与主SPI交换数据，但从SPI的状态位在停止方式时是无效的,微机控制技术,1

51、. 主方式下的管脚功能,设SPI控制寄存器（SPCR）中的MSTR位为SPI主方式。在主方式下SPI管脚功能如下： PD4/SCK（串行时钟）在主方式下，PD4/SCK管脚是同步时钟输出。 PD3/MOSI（主输出，从输入）在主方式下，PD3/MOSI管脚是串行输出。 PD2/MISO（主输入，从输出）在主方式下，PD2/MISO管脚为串行输入,微机控制技术,2. 从方式下的管脚功能,清除SPCR中的MSTR位，使SPI工作于从方式，在从方式下SPI的管脚功能如下： PD4/SCK（串行时钟）在从方式下，PD4/SCK管脚是从主机SPI来的同步时钟信号的输入端； PD3/MOSI（主输出，从输

52、入）在从方式下，该管脚为串行输入端； PDI/MIS0（主输入，从输出），在从方式下，该管脚为串行输出端。 PD5/ （从选择）在从方式下，该管脚用做来自主SPI的数据和串行时钟接收的使能端,微机控制技术,1. 主方式下的管脚功能,PD5/ （从选择）在主方式下，PD5/ 管脚用来保护在主方式下两个SPI同时操作时所引起的冲突。主机PD5/ 管脚上的逻辑0禁止SPI，清除MSTR位，并产生方式错误标志（MODF,微机控制技术,6.3.2 SPI的工作原理,当CPHA=0时，移位时钟是 与SCK相或。在此时钟相位方式下， 必须在SPI信息中的两个有效字符之间为高电平。 当CPHA=1时， 线在有

53、效的传输之间保持低电平。这一格式多出现在有一个单独的、固定的主机和一个单独的从驱动MISO数据线的系统中,微机控制技术,6.3.3 多机SPI系统,多机SPI系统的连接方法有网络型总线方式、菊花链式方式两种。 1. 网络型总线方式 2. 菊花链方式,微机控制技术,1. 网络型总线方式,在网络型总线方式主SPI系统中，所有的PD4/SCK，PD3/MOSI和PD2/MISO同名管脚均连在一起。在传送数据之前，一个SPI作为主机，其他均为从机，图6.19所示是网络型总线方式主SPI系统的原理框图。 事实上，一个系统中也可以有两个主机。一个由两个主SPI和三个从SPI组成的多SPI系统的原理，如图6

54、.20所示,微机控制技术,图6.23 一个主机和三个从机系统的原理框图,微机控制技术,图6.24 两个主SPI和三个从SPI系统原理框图,微机控制技术,2. 菊花链方式,在菊花链式连接系统中，所有的时钟和选择线都连在一起，一个设备的输出端连到后一个设备的输入端。菊花链上的设备数原则上可以任意多。该方法的原理，如图6.25所示,微机控制技术,图6.21 菊花链式多SPI系统,微机控制技术,6.3.4 串行时钟的极性和相位,为了适应外部设备不同串行通信的要求，可以用软件改变SPI串行时钟的相位和极性。 SPCR中时钟的极性位（CPOL）和时钟的相位位（CPHA）用来控制串行时钟和传送数据间的时间关系。图6.22所示表示CPOL和CPHA位与时钟/数据之间的关系,微机控制技术,图6.26 SPI时钟/数据时序图,微机控制技术,6.3.5 SPI中断,SPI有两个中断源： （1）SPI传送完中断SPI状态寄存器中的SPI标志位（SPIF）表示SPI传送数据结束。当数据移入或移出SPI寄存器时，SPIF开始置位。如果SPIE也置位，则SPIF产生中断请求。 （2）SPI方式错中断SPI状态寄存器中的方式错状态位（MODF）置位，表示SPI方式错。当SPI控制寄存器（SPCR）中的主机