第3章 主控电路设计.

1、电子系统设计电子系统设计BTR3.1 概述概述在现实生活中，许多物理量都是模拟量形式，但由于数字系统所具有的许多优点，人们已经习惯于把大部分的信息处理与控制任务交由数字系统来完成；与模拟系统相比，数字系统具有工作稳定可靠，抗干扰能力强，便于集成化、模块化等优点。因此，在测控系统中，主控电路的功能几乎全都是由数字系统来完成的；第第3章主控电路设计章主控电路设计电子系统设计电子系统设计BTR数字器件经历了由标准逻辑器件到专用集成电路（ASIC），再到可编程逻辑器件（PLD）和含有CPU的微处理器的变化过程。u标准逻辑器件：一般指TTL 74/54系列和CMOS 4000/4500/74HC系列器件

2、，其优点是型号齐全、接口信号规范、易于使用和匹配。缺点是由于集成度低，功能固定且相对简单；u专用集成电路：是具有特定功能的数字集成电路，可分为用户全定制和用户半定制两种。ASIC器件使用简单，但设计则十分复杂，需要诸如集成电路生产厂家利用专业EDA工具实现；u可编程逻辑器件：最大特点为不需要半导体厂商参与，由用户编程实现不同逻辑功能，产品开发周期短，开发成本低。同时还具有工作速度快的特点；u微处理器：由于有软件的参与，可以实现非常复杂的逻辑功能，使用也很方便、灵活。缺点是系统速度不如其他类型器件。电子系统设计电子系统设计BTR3.2 常用标准逻辑器件常用标准逻辑器件 从功能上分，标准逻辑器件可

3、分为组合逻辑器件和时序逻辑器件两类；u 组合逻辑器件：包括逻辑门、译码器、编码器、数据选择器、加法器和数值比较器等；u 时序逻辑器件：包括触发器、寄存器、移位寄存器、计数器等。 从生产工艺上分，标准逻辑器件又可分为74系列集成电路和4000系列集成电路两类。u 常用74系列器件：见表 3 1，常用74系列器件功能描述；u 常用4000系列器件：见表 3 2，常用4000系列器件功能描述。电子系统设计电子系统设计BTR3.3 可编程逻辑器件应用可编程逻辑器件应用 可编程逻辑器件（ PLD ）是由用户编程实现所需逻辑功能的数字集成电路，包括现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD

4、）； PLD可以完成任何数字逻辑器件的功能，上至高性能的CPU，下至简单的组合、时序逻辑电路； PLD可以用EDA工具自由地设计一个数字系统。通过EDA软件仿真，设计者可以预先验证设计的正确性； 使用PLD开发数字电路，可以极大缩短设计时间，减少PCB面积，降低功耗，提高系统的可靠性。电子系统设计电子系统设计BTR3.4 单片机系统设计单片机系统设计一、一、 单片机的分类与选型单片机的分类与选型1. 常用单片机分类常用单片机分类2. 单片机选型单片机选型二、二、单片机系统设计原则单片机系统设计原则1. 单片机硬件系统设计原则单片机硬件系统设计原则2. 单片机软件系统设计原则单片机软件系统设计原

5、则电子系统设计电子系统设计BTR单片机最小系统是指能使系统运行的最小硬件配置电路；由于系统中有一些功能器件（如晶振、复位电路等）无法集成到芯片内部，因此，最小系统的组成中一般都包含晶振和复位电路；对于没有片内程序存储器的单片机，还应配置片外程序存储器。三、三、单片机最小系统设计单片机最小系统设计电子系统设计电子系统设计BTR在许多情况下，单片机内部包含的硬件资源的数量或性能不能满足应用的需要，因此，系统扩展是单片机系统硬件设计中最常遇到的问题。四、四、基于并行总线的单片机系统扩展基于并行总线的单片机系统扩展1. 单片机的并行总线单片机的并行总线数据总线： u51系列单片机的数据总线宽度为8位；

6、u由P0口提供，P0.0P0.7对应数据总线的D0D7 ；地址总线：u 51系列单片机的地址总线宽度为16位；u由P2口直接提供高8 位地址，P2.0P2.7对应地址总线的A8A15；u由P0口经锁存器提供低8位地址，P0.0P0.7对应地址总线的A0A7 ；电子系统设计电子系统设计BTR控制总线：u 51系列单片机的控制总线包括读信号（/RD ）、写信号（/WR ），地址锁存信号（ALE）和外部程序存储器读选通信号（/PSEN ）等；u /RD、/WR 信号由P3.7和P3.6提供，而ALE和/PSEN 则由专门的引脚提供；单片机程序存储器数据存储器I/O接口数据总线DB地址总线AB控制总线

7、CBv并行总线扩展典型结构电子系统设计电子系统设计BTR2. 单片机的存储空间单片机的存储空间 单片机的存储空间是指单片机可以通过并行总线扩展的存储单元或I/O单元数量的总和； 单片机的存储空间大小，主要取决于单片机的地址总线宽度和控制总线的数量； 单片机系统常见有：程序存储器空间、数据存储器空间和I/O空间，每一种存储空间又有内部和外部之分； 有些单片机将其中的两种或两种以上的存储空间合并为一个统一编址的空间； 对统一编址的存储空间进行操作采用的是相同的指令代码，而对不同的存储空间则采用不同的指令代码。 在统一编址的存储空间内，分配给各存储单元或I/O设备的地址不能相互重叠，但用于只读的单元

8、和用于只写的单元允许使用同一地址。电子系统设计电子系统设计BTRMCS-51系列单片机的存储空间：u程序存储器空间：使用MOVC A，ADPTR等指令，操作时/PSEN信号发生作用；u内部数据存储器空间：使用MOV A，DIRECT等指令，控制总线不会发生任何作用；u外部数据存储器和I/O空间：使用MOVX A，DPTR等指令，操作时/RD或/WR信号发生作用。MCS-96系列只有统一编址的64KB空间，对于存储空间中的任意单元的操作指令也完全一样。电子系统设计电子系统设计BTR时序是指信号变化的先后关系和时间要求；在单片机系统扩展时，主要要解决的问题就是接口的时序配合问题；必须了解单片机对外

9、提供了什么样的信号，它对外部信号又有什么样的时序要求；时序图中常常给出的主要参数有：地址建立时间tSA，地址保持时间tHA，数据建立时间tSD，数据保持时间tHD，读信号脉冲宽度tRD和写信号脉冲宽度tWR等。3. 外部存储器读写时序外部存储器读写时序电子系统设计电子系统设计BTR 单片机系统中一般带有多种外设，即使同一种外设也可能有多个，而CPU在同一时间里只能与其中一个外设交换信息，这就要借助于地址译码电路对外设进行寻址； 一般单片机的高位地址用于外设的选择，低位地址用于外设内部存储单元或寄存器的选择； 单片机系统的地址译码可按直接译码、译码器译码或完全地址译码方式进行。4. 设备选择与地

10、址译码设备选择与地址译码电子系统设计电子系统设计BTR 是指不采用专门的译码电路，直接利用单片机地址总线的高位输出作片选信号的地址译码方式； 直接译码方式不需要专门的译码电路，连接较为简单，但存储空间浪费严重； 一般用在需要译码信号不多的场合。v直接译码8K RAM(1)CS8K RAM(2)CS8K RAM(3)CSA12A0A15A14A13RAMA15，A14，A13，A12A0地址范围10 1 1 XX6000H7FFFH21 0 1 XXA000HBFFFH31 1 0 XXC000HDFFFH电子系统设计电子系统设计BTR 是指利用译码器进行地址译码的方式； 例如A15A13经3/

11、8译码器译码，可产生8个地址连续的片选信号。当需要更多的片选信号时，可采用译码器级联扩展技术； 译码器译码可获得几个地址连续、大小一样的片选信号；译码器级联扩展译码则可产生更多片选信号，各级之间片选信号对应地址范围大小不同。v译码器译码A15A14A13CS0CS7C Y0BA 3/8译码器(1)EN Y7 C Y0BA 3/8译码器(2)EN Y7 A12A11A10CS5CS8CS15片选A15， A14， A13， A12， A11， A10， A9A0地址范围CS00 0 0 X X X XX0000H1FFFHCS51 0 1 X X X XXA000HBFFFHCS71 1 1 X

12、 X X XXE000HFFFFHCS81 0 1 0 0 0 XXA000HA3FFHCS151 0 1 1 1 1 XXBC00HBFFFH电子系统设计电子系统设计BTR 是一种译码范围与实际需要完全一致的译码方式，又有固定式和开关式两种； 完全地址译码有较高的存储空间利用率，开关式译码电路可根据需要调整接口地址，防止地址冲突，但电路相对复杂，一般用于计算机电路。v完全地址译码A9.A3A2A1A0CS&11VccA9.A21010CSP7. COMP.P0Q7 P=QQ6Q5Q4Q3Q2Q1Q0电子系统设计电子系统设计BTR 可分配地址空间：u 在MCS-51系列单片机系统中，程

13、序存储器可占用0000HFFFFH的程序存储器空间，地址可与数据存储器或I/O口重叠。u 硬件上使用/PSEN控制读操作，软件上用MOVC指令执行读操作命令。 地址译码电路：u 程序存储器使用芯片的数量较少，因此地址译码多采用直接译码方式；u 分配给程序存储器的地址范围必须包含单片机的启动地址。5. 并行总线扩展示例并行总线扩展示例v程序存储器扩展u单片机系统扩展中涉及最多的是程序存储器扩展，扩展时还需掌握以下几方面内容：电子系统设计电子系统设计BTR 扩展方法：u 程序存储器与其他扩展芯片共用地址总线、数据总线和部分控制总线；u 独占使用的控制总线是外部程序存储器读控制信号/PSEN。 常用

14、芯片：u 用得最多的是Intel公司的27系列EPROM芯片，如2716（2k8）、2732（4k8）、2764（8k8）、27128（16k8）、27256（32k8）和27512（64k8）等。电子系统设计电子系统设计BTR 存储器地址空间：u 在MCS-51系列单片机系统中，数据存储器与I/O口实行统一编址，共用0000HFFFFH间的64K地址空间；u 任何扩展的数据存储器、I/O口及外围设备都不能占用相互重叠的地址空间，但可以和程序存储器地址重叠。 读写控制：u 数据存储器与I/O口使用/RD和/WR进行读/写控制，而地址总线和数据总线则与程序存储器共用；u 读写操作有关的指令是MO

15、VX DPTR,A和MOVX A，DPTR两类。v数据存储器扩展u单片机系统中最常用的数据存储器是静态随机存取存储器SRAM，扩展时应考虑以下几个方面问题：电子系统设计电子系统设计BTR 扩展方法：u 扩展方法与程序存储器扩展基本相同，只是在读写控制上使用了不同信号和不同指令。 常用芯片：u 常用数据存储器芯片有SRAM 6116(2K8)，6264(8K8)和62256(32K8)等；u 电可擦除只读存储器E2PROM 2816(2K8)，2864(8K8)等也可作为数据存储器使用。电子系统设计电子系统设计BTRu单片机本身能提供一定数量的I/O口，但当这些口线被复用功能占用后，留给用户系统

16、的I/O口就不会很多。I/O口扩展时应考虑的问题是： I/O口寻址空间：u 在MCS-51单片机应用系统中，扩展的I/O口与数据存储器占用统一编址的64k存储空间，而与外部程序存储器空间无关；u 地址总线、数据总线与控制总线的连接与数据存储器相同；u 指令上也与读写数据存储器相同。vI/O口扩展电子系统设计电子系统设计BTR 扩展方法：u 如图是用TTL芯片扩展的简单的I/O口电路；u 图（a）是用锁存器74LS273扩展的8位并行输出口，单片机用MOVX DPTR，A指令向锁存器输出数据；u 图 （b）是用三态门74LS245扩展的8位并行输入接口，单片机用指令MOVX A，DPTR将输入信

17、号读入单片机内部。 常用芯片：u 可用于I/O口扩展的TTL芯片有三态门74LS241、74LS244、74LS245，锁存器74LS273、74LS373、74LS374，可编程I/O接口芯片8255、8155等。电子系统设计电子系统设计BTR 在单片机系统中，还有一些外围芯片，如定时/计数器、中断系统、键盘/显示控制器及串行通信控制器等，对满足应用系统某些需要十分有用； 这些外围芯片内部一般都设有与单片机的接口电路，大部分外围芯片能够与单片机总线能直接相连。v其他外围芯片扩展 单片机扩展可编程I/O接口芯片8255的电路示例：u 8255是可编程的并行I/O接口芯片；u 8255内部由数据

18、总线驱动器、并行I/O端口，读/写控制逻辑和A组、B组控制块四个逻辑结构组成；u 单片机通过A0、A1的四种组合，分别对8255的A口、B口、C口和命令/状态口进行读写操作，实现3个8位I/O口的工作模式设置和数据的输入、输出。电子系统设计电子系统设计BTR 较常使用的外围芯片有：u 可编程中断控制器8259；u 可编程直接存储器存取（DMA）控制器8237、8257；u 可编程CRT控制器8275、8276、MC6845、MC6847；u 可编程键盘/显示接口8279；u 点阵式打印机控制器8295；u 可编程通讯接口8250、8251；u 可编程定时器8253、8254；u A/D和D/A

19、转换芯片等。电子系统设计电子系统设计BTR 图 3 62是一个典型的单片机基本系统原理图； 该系统中包括必需的时钟电路和复位电路； 系统还扩充了一片2764作为外部程序存储器，一片6264作为外部数据存储器，一片2864作为掉电保持的外部数据存储器，以及用74LS245和74LS273扩展的简单I/O口。v典型单片机基本系统电子系统设计电子系统设计BTR电子系统设计电子系统设计BTR所谓串行总线扩展方法就是单片机利用串行总线扩展外围器件，或与其他数据设备相互通讯，传递数据信息；串行总线扩展方法具有硬件连接简单、工作可靠、便于数据远距离传输的特点，因此，在一些速度要求不高的电子系统中得到广泛应用

20、；典型的串行总线标准有：u通用同步异步收发器USART；uMotorola公司的SPI总线；uNS公司的Microwire总线；uPhilips公司I2C总线；uDALLAS公司的单总线等。五、五、基于串行总线的单片机系统扩展基于串行总线的单片机系统扩展电子系统设计电子系统设计BTR串行通讯是指将构成字符的每个二进制数据位，依据一定的顺序逐位进行传送的通讯方法；串行通讯最多只用到三根信号线，而最少只需要一根信号线；串行通讯能节省传送线，特别是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更加突出；串行通讯的主要缺点是传送速度比并行通讯要慢。1. 串行总线通讯基础串行总线通讯基础单片机外围器件或数据

21、设备发送接收时钟单片机外围器件或数据设备发送/接收电子系统设计电子系统设计BTRv通讯方式 单工方式：数据只能由A设备传送到B设备，而不能由B设备传送到A设备； 半双工方式：数据能从A设备送到B设备，也能从B设备传送到A设备，但是不能同时在二个方向上传送； 全双工方式：通讯系统的每一端都包含发送器和接收器，数据可同时在两个方向上传送。v数据传输方式 同步方式：数据传输使用一个时钟信号来控制字符与字符间，以及字符内数据位的定时，同步数据传输方式具有较高的传输速率； 异步方式：数据传输需要在每个传送的字符前后增加起停信号来保证字符传送的同步，并采用完全相同的数据传送速率（即波特率）来实现字符内数据

22、位发送与接收的同步。电子系统设计电子系统设计BTRv波特率 波特率是每秒钟传送信息位的数量，是衡量数据传送速率的指标； 在异步通讯过程中，接收设备和发送设备通常由各自的时钟电路产生同步信号，只有保持相同的传送波特率，才能成功传送数据； 在同步通讯过程中，起同步作用的时钟信号通常是由主机提供的，没有因主机、从机通讯时钟波特率不同而导致通讯失败的问题。电子系统设计电子系统设计BTRv通讯协议 串行通讯协议是对数据传送方式的规定，它包括数据格式定义和数据位定义等； 通信双方必须遵从统一的通讯协议； 串行通讯协议包括异步协议和同步协议两种； 以异步串行通信协议为例，通讯协议的定义包括以下内容：u起始位

23、：起始位所起的作用就是表示字符传送开始，通常以逻辑“0”表示；u数据位：起始位之后紧接着就是数据位，数据位的个数可以是5、6、7或8个，依次传送；u奇偶校验位：数据位之后可以传送奇偶校验位，奇偶校验用于有限差错检测；u停止位：停止位是一个字符数据的结束标志，它可以是1位、1.5位或2位的高电平。电子系统设计电子系统设计BTRv通讯检错 由于硬件线路故障、程序出错或外界干扰，使得通讯过程中经常产生传送错误； 通讯的关键不仅是能够传输数据，更重要的是能准确传送，检出差错并加以校正； 通讯检错有三种基本方法：u奇偶校验：发送时，在每一个字符的最高位之后都附加一个奇偶校验位，接收时，按照发送方所确定的

24、同样的奇偶性，对接收到的每一个字符进行校验。奇偶校验只能提供最低级的错误检测；u校验和：发送时，发送方对块中数据简单求和，产生一单字节校验字符（校验和）附加到数据块结尾。接收方对接收到的数据块算术求和后，所得的结果与接收到的校验和字符比较，如果两者不同，即表示接收有错。校验和不能检测出排序错误；u循环冗余码校验：在发送方，利用多项式对传输数据做除法生成校验码。在接收方，对接收到的数据做同样算法，以检测和确定错误位置。CRC校验检错能力极强，开销小，易于用编码器及检测电路实现，在通讯和数据处理中被广泛采用。电子系统设计电子系统设计BTR能够完成异步通讯的硬件电路称为通用异步收发器UART ；能够

25、完成同步通讯的硬件电路称为通用同步收发器USRT ；既能异步又能同步通讯的硬件电路称为通用同步异步收发器USART ；大多数中高档单片机芯片内部已经集成了串行通讯接口，其中最为常见的就是通用异步收发器（UART）。2. 通用串行通讯接口（通用串行通讯接口（UART、USRT、USART）电子系统设计电子系统设计BTRv单片机的串行通讯接口u在MCS-51系列单片机中，CPU芯片中集成了一个标准的通用异步收发器UART，可以实现4种不同的工作模式。 同步移位寄存器模式：u通讯时，数据由RXD（P3.0）端进行收发，同步移位时钟由TXD（P3.1）端输出。数据的传送以8位为1帧进行传输，低位在先；

26、u发送时，数据从RXD送出，移位时钟从TXD端同步送出，外围设备可以利用TXD的上升沿将串行数据逐位采集下来；u接收时，单片机从TXD端送出移位时钟，控制外围设备在时钟信号同步下逐位将数据送到RXD线上，并在时钟上升沿时刻将数据采集到芯片内部。D0D1D2D3D4D5D6D7RXDTXDD0D1D2D3D4D5D6D7RXDTXD发送：接收：电子系统设计电子系统设计BTR 异步收发模式：u51单片机的串行通讯模式1、模式2和模式3都是异步通讯方式，区别在于模式1为8位数据格式，而模式2和模式3都是9位数据格式；u发送时，CPU通过TXD发送数据，串行数据按设定的波特率逐位输出。模式1下的通讯格

27、式为每帧10位，其中包括一个起始位（0）、8个数据位（先低位后高位）和一个停止位（1）；u接收时，当采样到RXD上由1到0的跳变时，启动接收器接收。接收器对每一位的数值采样3次，至少2次相同的值才被确认。D0D1D2D3D4D5D6D7起始停止TXDRXDD0D1D2D3D4D5D6D7起始停止位采样发送：接收：电子系统设计电子系统设计BTRv通用串行通讯接口应用 利用串行口实现单片机系统扩展：u图 （a）是利用并行输入串行输出移位寄存器74LS165扩展的8位并行输入接口电路；u图 （b）是利用串行输入并行输出移位寄存器74LS164扩展的8位并行输出接口电路。电子系统设计电子系统设计BTR

28、 利用串行口实现单片机与其他CPU的串行通讯：u图 3 67是一个51单片机与PC机通讯接口的电路原理图；u51单片机的串行通讯接口并不是标准的RS-232C接口，但通过单片机外部的RS-232收发器芯片，可以将51单片机的串行通讯接口与PC机的RS-232C接口连接起来，实现单片机与PC机之间的通讯。电子系统设计电子系统设计BTRSPI是由Motorola公司提出的一种同步串行外围接口，采用3根或4根信号线进行数据传输，所需要的信号包括使能信号、同步时钟、同步数据（输入和输出）等；Microwire总线标准是由National Semiconductor公司制定的， Microwire总线是

29、三线同步串行总线，由一根数据输出线、一根数据输入线和一根时钟信号线组成；采用SPI和Microwire串行总线可以简化系统结构，降低系统成本，使系统具有灵活的可扩展性；SPI和Microwire串行总线构成的系统都是单主系统，这使得SPI和Microwire的应用受到了一定的限制。3. SPI和和Microwire串行总线接口串行总线接口电子系统设计电子系统设计BTRvSPI总线信号 SPI串行总线使用两条控制信号线CS、SCLK和两条数据信号线SDI、SDO；u CS用来控制外围设备的选通（低电平有效），未选通器件的SDO信号线将处于高阻状态；u SCLK则用来为数据通信提供同步时钟，由系统

30、主设备提供；u SDI为数据输入线；u SDO为数据输出线。 在Motorola公司的SPI技术规范中，CS称为从机选择SS，SCLK称为串行时钟SCK，两条数据信号线称为主机输出/从机输入线MOSI和主机输入/从机输出线MISO；SPI从设备CSSCLKSDISDO电子系统设计电子系统设计BTRvSPI总线时序 当系统主设备启动一次传输时，主设备先通过片选信号选通某一从设备，然后发出同步时钟信号，控制数据的输入和输出； 数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后； 主设备和被选通的从设备在时钟的下降沿（或上升沿）从各自的SDO线输出一位数据，在时钟的上升沿（或下降沿）从各自的SD

31、I端读入一位数据； 在每个时钟周期内，发送一位数据，同时接收一位数据。D0D1D2D3D4D5D6D7SDI/SDOSCLKCS电子系统设计电子系统设计BTRvSPI设备的连接 级联连接:u 多个级联的SPI从设备被看作是一个大的设备并使用相同的片选信号CS0；u 从设备的数据输出端分别被连接到下一个从设备的数据输入端，并将最后一个从设备的数据输出连接到系统主机的数据输入端；u 主机对从设备进行读写操作时，必须一次输入/输出所有从机的数据。SDISCLK SDO 系统主机CS0SDI SCLK SDO从设备1CSSDI SCLK SDO从设备2CSSDI SCLK SDO从设备3CS 一个SP

32、I主设备可以连接多个SPI从设备，连接的方法有级联连接和独立连接两种。电子系统设计电子系统设计BTR 独立连接:u 将所有SPI从设备的SDI引脚连接到系统主机的SDO引脚，SPI从设备的SDO引脚连接到系统主机的SDI引脚；u 每个SPI从设备采用相互独立的片选信号CS0、CS1和CS2来控制从设备的使能端；u 系统主机可以通过片选信号来选通其中一个SPI从设备进行读写操作访问。SDISCLKSDO 系统主机CS2 CS1 CS0SDI SCLK SDO从设备1CSSDI SCLK SDO从设备2CSSDI SCLK SDO从设备3CS电子系统设计电子系统设计BTRvSPI总线应用 采用SP

33、I串行总线接口的器件非常多，它们包括存储器（包括CMOS RAM和EEPROM）、A/D和D/A转换器、定时/计数器、远程通信设备、真空荧光显示设备、LED显示驱动器和LCD显示驱动器等； 图 3 72给出了SPI总线的典型应用系统框图。MISOMOSISCKSTM32主机PC3 PC2 PC1 PC0SDO SDI SCLKADCCSSDO SDI SCLKEEPROMCSSDO SDI SCLKLCDCSMISOMOSISCK STM32从机NSS电子系统设计电子系统设计BTRI2C（Inter Integrated Circuit）总线是Philips公司推出的一种用于IC器件之间连接的

34、二线制串行通讯总线，它通过两根信号线（SDA串行数据线，SCL串行时钟线）在连接到总线上的器件之间传送数据；I2C总线根据地址来识别每个器件，而不需要片选信号；I2C总线具有以下一些特点：u 只需要两条信号线，硬件连接简单；u 每个连接到总线的器件都可以通过惟一的地址进行寻址；u 它是一个真正的多主机总线，可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏；u 串行的8位双向数据传输，在高速模式下可达3.4Mbit/s；u 连接到同一个I2C总线的器件数量仅受到总线最大电容400pF的限制。4. I2C总线接口总线接口vI2C总线特点电子系统设计电子系统设计BTRvI2C总线信号 接口设有数据输入/输出引脚

35、SDA和时钟输入/输出引脚SCL；u 每个引脚内部含有一个漏极开路的FET管和一个CMOS缓冲器；u 每条线既是输入线，又是输出线；u 每个引脚是漏极开路输出，因此可以实现线与功能；u 两条通信线应通过上拉电阻接到VCC，当总线空闲时这两条线路都是高电平。数据输出数据输入数据输出数据输入时钟输出时钟输入时钟输出时钟输入+5VSCLSDA器件A器件B电子系统设计电子系统设计BTR 依据数据线（SDA）上的数据流向，可以分为发送器和接收器； 依据时钟线（SCL）上的信号流向，可以分为主器件和从器件； 总线上的主器件和从器件、发送器和接收器的关系不是恒定不变的。u 一个I2C总线器件究竟是主器件还是

36、从器件，这取决于总线竞争与仲裁的结果；u 一个I2C总线器件究竟是发送器还是接收器，它取决于当时数据传输的方向。电子系统设计电子系统设计BTRvI2C总线时序 I2C总线起始信号和停止信号：u 在SCL信号线处于高电平状态时，SDA信号线从高电平向低电平的跳变表示数据传输起始条件；u 在SCL信号线处于高电平状态时，SDA信号线由低电平向高电平跳变表示停止条件。SDASCL起始信号停止信号电子系统设计电子系统设计BTR I2C总线数据传输时SDA与SCL时序关系：u I2C总线在传输数据过程中，对传输的每一位，SDA信号线上的数据在时钟信号SCL处于高电平期间必须保持稳定；u 只有在SCL信号

37、线处于低电平状态时，SDA信号线上的电平状态才能改变。SDASCLSDA不变SDA改变电子系统设计电子系统设计BTRvI2C总线数据格式 数据传输过程：u I2C总线的数据传送以主机发送数据传输起始信号作为开始；u 在起始信号结束后，主机将发送一个用于选择从器件地址的字节，该字节的高7位是地址码，第8位是方向位（R/W），“0”表示发送，“1”表示接收；u 在数据传输过程中，SDA信号线上的数据是由发送器提供的，每个字节必须为8位，最高位MSB在前，最低位LSB在后；u 在传送完每个字节后必须由接收器返回低电平有效的应答信号ACK，然后可以继续下一个字节数据的传输；u 接收器在接收数据后返回高

38、电平非应答信号NACK，或由主机发出停止信号，I2C总线的数据传输过程才会结束。1289MSBLSBACKNACK发送器SDA接收器SDA主机SCL起始信号电子系统设计电子系统设计BTR 主机向从机发送数据：u 主机先发送一个起始信号，接着是7位从机地址和一个“0”位表示主机将向从机发送数据；u 如果从机不能立即进行响应，则返回非应答信号NACK，主机会产生一个停止条件终止传输，或者产生重复起始条件开始一次新的传输过程；u 如果从机返回的是应答信号ACK，则主机可以继续发送数据，发送的字节数量不受限制；u 从机在接收数据后返回高电平非应答信号NACK，或由主机发出停止信号，I2C总线的数据传输

39、过程才会结束。起始信号7位地址“0”ACK8位数据ACKACK/NACK8位数据停止信号电子系统设计电子系统设计BTR 主机向从机接收数据：u 主机先发送一个起始信号，接着是7位从机地址和一个“1”位表示主机将向从机接收数据；u 如果从机不能立即进行响应，则返回非应答信号NACK，主机会产生一个停止条件终止传输，或者产生重复起始条件开始一次新的传输过程；u 如果从机返回的是应答信号ACK，则主机可以接收由从机发送的数据，可以接收的字节数量不受限制；u 主机在接收数据后返回高电平非应答信号NACK，并发出停止信号，I2C总线的数据传输过程才会结束。起始信号7位地址“1”ACK8位数据ACKNAC

40、K8位数据停止信号电子系统设计电子系统设计BTRvI2C总线器件地址 I2C总线的寻址过程通常是在起始条件后的第一个字节决定主机选择哪一个从机，第一个字节的高7位数据组成了从机地址； 从机地址由一个固定和一个可编程的部分构成；u 固定部分通常由器件的分类决定；u 可编程地址位通常由器件的地址线引脚的状态决定；u 从机地址的可编程部分决定了最大可以连接到I2C总线上的相同器件的数量。电子系统设计电子系统设计BTRvI2C总线应用 STM32单片机与24C02连接电路原理图：u 24C02为一8脚的DIP或SOP封装的2568字节存储容量的EEPROM器件；u A0、A1、A2为可编程地址信号输入

41、引脚；u SCL、SDA分别为I2C总线接口的串行时钟信号线和串行数据信号线；u WP引脚为24C02的数据提供硬件保护。电子系统设计电子系统设计BTR 对24C02字节写：u 单片机首先发出一个数据传输起始信号，紧跟着是要进行写操作的器件地址；u 在24C02收到地址字节后，将返回一个应答信号ACK ；u 单片机接着发出要写的存储单元的地址字节，此时单片机仍然需要等待24C02返回一个应答信号；u 单片机发出要存储的数据字节；u 在24C02返回应答信号后，发出一个停止信号结束本次字节写操作。起始信号1010 0000ACK存储单元地址ACKACK存储数据停止信号电子系统设计电子系统设计BT

42、R 对24C02随机地址读：u 单片机在给出器件地址和存储单元地址之后不发出任何数据字节，而是在24C02发出应答信号后又重新发出数据传输起始信号，并进入现行地址读操作状态；u 单片机在读入一个数据字节后，返回高电平非应答信号NACK，随后产生一个停止信号，结束本次读操作。起始信号1010 0000ACK存储单元地址ACKACK存储数据停止信号重复起始信号1010 0001NACK电子系统设计电子系统设计BTRv单总线特点 单总线（1-Wire）是美国Dallas Semiconductor公司的一项专利技术，它采用单根信号线完成数据的双向传输； 单总线技术有3个显著的特点：u 单总线芯片通过

43、一根信号线进行地址信息、控制信息及数据信息的传送，并可以通过该信号线为单总线芯片提供电源，使完成通讯所需要的信号线达到最少；u 每个单总线芯片都具有全球惟一的访问序列号，当多个单总线器件挂在同一单总线上时，对所有单总线芯片的访问都通过该惟一序列号进行区分；u 单总线芯片在工作过程中可以不提供外接电源，它可以通过本身具有的“总线窃电”技术从总线上获取电源。5. 单总线接口单总线接口电子系统设计电子系统设计BTRv单总线器件硬件结构 任何单总线系统都包含一台主机和一个或多个从机，它们共用一条数据线DQ ； 单总线器件通过一个漏极开路或三态端口连至数据线DQ，与其他单总线器件实现线与配置； 单总线通

44、常要求外接一个约4.7k的上拉电阻，当总线闲置时，其状态为高电平。单总线主机DQDQ单总线从机DQ单总线从机DQ单总线从机VCC4.7k电子系统设计电子系统设计BTRv单总线器件序列号 每一个单总线器件都有一个采用激光刻制的序列号，任何单总线器件的序列号都不会重复； 系统主机可以通过器件的序列号来将需要进行访问的器件挑选出来，并进行通讯； 单总线芯片序列号由8个字节64位二进制码组成：u 第一个8位字节是单总线芯片的分类码；u 接下来的48位是标识器件本身的序列号；u 序列号的最后8位则是前面56位的CRC校验码。电子系统设计电子系统设计BTRv单总线信号类型与时序 复位脉冲与应答脉冲：u 主

45、机发送的复位脉冲是一个至少480s的低电平，然后主机释放总线并进入接收状态；u 从机在检测到复位脉冲后，延时等待约15s60s，然后发送一个60s240s的低电平应答脉冲信号，表示从机已准备好；u 主机等待应答脉冲的时间至少为480s ，一旦检测到应答脉冲后，主机就认为总线上已连接了从机器件。u单总线通讯中定义了如下几种信号类型，即复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1等，除了应答脉冲以外，所有的信号都由主机发出同步信号。主机发送复位脉冲至少480s从机发送应答脉冲60240s主机接收至少480s从机等待1560s电子系统设计电子系统设计BTR 写时隙u 当系统主机向从机输出数据时产生写时

46、隙，每一个时隙内总线只能传输一位数据；u 写时隙以主机驱动数据线为低电平开始，数据线的下降沿触发从机内部的延时电路，使之与主机同步；u 写0时，主机拉低总线，并在整个时隙期间保持低电平至少60s；u 写1时，主机拉低总线至少1s，并在15s之内释放总线，由上拉电阻将总线拉至高电平；u 在写时隙开始后15s60s期间，单总线从机采样总线电平状态。1s主机写0时隙60120s15s15s30s从机采样时间窗口15s15s30s从机采样时间窗口1s主机写1时隙电子系统设计电子系统设计BTR 读时隙u 单总线从机仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据；u 每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1s ；u

47、 在主机发起读时隙之后，从机器件才开始在总线上发送0或1，从机发出的数据在时隙起始之后保持15s有效时间；u 主机在读时隙期间必须释放总线，并且在时隙起始后的15s之内采样总线状态。1s主机读0时隙15s45s主机采样时刻1s主机读1时隙1s15s主机采样时刻电子系统设计电子系统设计BTRv单总线系统的通讯协议 单总线芯片在数据传输过程要求采用严格的通讯协议，以保证数据的完整性； 单总线芯片在数据传输过程中，主机一旦选中某个芯片，就会保持通讯连接直到复位，其他器件则全部脱离总线； 主机与从机之间的通讯可以通过3个步骤完成：初始化器件识别数据传输。u 主机通过复位脉冲初始化单总线器件；u 主机通

48、过ROM命令识别某一个特定从机；u 主机通过功能命令对从机进行数据交换。电子系统设计电子系统设计BTR ROM命令 用于搜索或指定某个从机设备进行操作。u 搜索ROM（F0H）：用于找出总线上所有从机设备的ROM代码；如果总线上只有一个从机设备，则可以采用读ROM命令来替代搜索ROM命令；u 读ROM（33H）：当总线上只有一个从机设备（单节点）时，允许主机直接读出从机的64位ROM代码；如果该命令用于多节点系统，则必然发生数据冲突；u 匹配ROM（55H）：匹配ROM命令跟随64位ROM代码，从而允许主机访问多节点系统中某个指定的从机设备；u 直访ROM（CCH）：主机能够采用该命令同时访问

49、总线上的所有从机设备，而无须发出任何ROM代码信息；u 条件搜索（ECH）：该命令允许主机设备判断哪些从机设备发生了报警。在支持该命令的器件中，只有那些报警置位的从机响应此命令。电子系统设计电子系统设计BTR 功能命令 每一个单总线器件都有它自己的专用指令，此处作为示例，对温度传感器DS18B20的功能命令进行介绍。u 启动温度转换（44H）：该命令用于启动一次温度转换过程；u 读便笺存储器（BEH）：该命令从便笺存储器读取全部9个字节数据，包括温度转换结果、温度报警设置值、器件配置和CRC校验字节；u 写便笺存储器（4EH）：该命令向便笺存储器写入3个字节数据，包括温度报警上限值TH、温度报

50、警下限值TL，以及配置寄存器值；u 复制便笺存储器（48H）：该命令将温度报警上限值TH、温度报警下限值TL及配置寄存器的内容从便笺存储器复制到EEPROM中；u 回读EEPROM（B8H）：该命令将EEPROM中的温度报警上限值TH、温度报警下限值TL及配置寄存器回读到便笺存储器中；u 读电源（B4H）：该命令读取DS18B20的供电模式。电子系统设计电子系统设计BTRv单总线应用 由DS18B20构成的多路温度监测系统原理图：u 如图 3 87所示，多路温度监测系统包含一台89C52主机和多个DS18B20从机；u 它们共用一条数据线DQ，这条数据线由89C52通过P1.0引脚提供控制；u

51、 运行时，89C52模拟单总线时序，控制指定的DS18B20从机与89C52主机进行通讯。89C52P1.0DQDS18B20（1）DQDS18B20（2）DQDS18B20（n）VCC4.7k电子系统设计电子系统设计BTR 温度监测系统在上电复位后的初始化工作流程：u 进行DS18B20器件搜索，判断总线上是否有DS18B20；如果有DS18B20连接，逐一读出每一个DS18B20的ROM序列号，并将它们存储在系统RAM中；u 对DS18B20进行配置，包括温度报警上限值、温度报警下限值以及配置寄存器值。u 将配置信息复制到DS18B20的EEPROM中，以后即使系统掉电也不会丢失，并会在每

52、一次系统上电时自动复制到便笺存储器中。电子系统设计电子系统设计BTR 单片机89C52对指定的DS18B20节点进行访问：u 单片机首先发送复位脉冲，并获得应答；u 单片机发出匹配ROM命令（55H）和欲寻址器件的64位ROM序列号，只有序列号完全匹配的器件会被选中，继续响应后续的功能命令；u 单片机发出启动温度转换命令（44H），启动指定器件的温度转换；u 经过延时等待后，单片机再次发出复位脉冲，然后在指定需要读取转换结果的器件后，通过读便笺存储器命令（BEH），将温度转换结果读入单片机内部。复位脉冲匹配ROM（55H）应答脉冲64位ROM序列号9个字节便笺数据启动温度转换（44H）延时等待

53、复位脉冲匹配ROM（55H）应答脉冲64位ROM序列号读便笺存储器（BEH）电子系统设计电子系统设计BTR 只有单个从机器件的系统中，主机对单个DS18B20器件进行操作的流程：u 单片机首先发送复位脉冲，并获得应答；u 单片机发出发出直访ROM命令（CCH），该命令后跟随写便笺存储器命令（4EH）和3字节的配置数据，用于对DS18B20进行配置；u 单片机发送复位脉冲和直访ROM命令后，再发出启动温度转换命令（44H），启动DS18B20进行温度转换；u 经过延时等待后，单片机发送复位脉冲和直访ROM命令后，再发出读便笺存储器命令（BEH），将包含温度转换结果的便笺存储器内容读入单片机内部。

54、复位脉冲直访ROM（CCH）应答脉冲写便笺存储器（4EH）9个字节便笺数据启动温度转换（44H）延时等待复位脉冲应答脉冲读便笺存储器（BEH）3字节配置数据复位脉冲直访ROM（CCH）应答脉冲直访ROM（CCH）电子系统设计电子系统设计BTR 人机通道有人机对话功能，它包括用户对系统的状态干预和数据输入，也包括系统向用户报告运行状态与运行结果； 人机通道中最常用的输入设备是按键和键盘，拨码盘等，另外还有诸如遥控键盘、远程开关及语音输入接口等近年来发展起来的非接触性的人机接口； 人机通道中最常用的输出设备有状态指示灯、报警讯响器、LED/LCD显示器以及打印机等。也有简易、廉价的VGA接口及语音

55、对话接口。六、六、单片机人机通道设计单片机人机通道设计电子系统设计电子系统设计BTR 独立式按键u 独立式按盘直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键单独占有一根I/O口线，每根口线上的按键状态不会影响其他I/O口线的工作状态；u 独立式按键电路配置灵活、软件简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，按键较多时I/O口线浪费较大，故只在按键数量不多时才采用。 单片机系统中除了复位按键有专门的复位电路，其他的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。1. 按键或键盘按键或键盘v结构形式电子系统设计电子系统设计BTR 行列式键盘u 行列式键盘又叫矩阵式键盘，用I/O口线组成行、列结构，按

56、键设置在行列的交叉点上；u 用44的行列结构可构成16个键的键盘，在按键数量较多时可以节省I/O口线；u 工作时给列线D0D3依次送入低电平，则在无按键按下时，行线D4D7输入状态必为全1，否则说明有按键按下，按下的键必在送入低电平之列与读到低电平的行线的交叉点上。电子系统设计电子系统设计BTR 按键的消抖动处理u 由于机械接触的原因，按键在接通和断开时都存在抖动的现象；u 硬件的消抖动方式可采用触发器或单稳态电路组成，也可简单地利用电容滤波和施密特门整形的方法实现；u 软件的消抖动方法可通过延时检测来消除抖动，即：在检测到有键按下时，延时10ms再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，从而消除

57、了抖动影响。 对按键进行编码并给定键值u 每个按键按下给出的编码或称键值应该是唯一的。软件往往以该键值为依据，在程序中对按键作相应的处理；u 例如上图中第一行按键按下时得到的键值从左至右依次为77H、7BH、7DH、7EH，其余按键依此类推。 按键或键盘检测方式：u 查询方式：CPU不断扫描I/O口输入状态，以获取按键按下及键值信息；u 中断方式：可将I/O口各输入线相与后产生的信号接至系统中断输入线上，只有当按键按下时引起CPU中断才对键盘进行检测，并取得相应键值。v接口设计电子系统设计电子系统设计BTR 除了可以利用单片机系统的I/O口线来完成键盘接口以外，还可以使用专用的可编程键盘/显示

58、接口芯片； 如图，8279最大可配置88的键盘，键盘的列线来自扫描线SL0SL2经3/8译码器译码后的输出信号，行线接8279的反馈输入线RL0RL7 。SHIFT与CNTL的输入用于产生组合键信息。v键盘接口示例电子系统设计电子系统设计BTR 在电子系统中经常采用发光器件指示系统的工作状态； 发光二极管与其他指示器件相比，具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应快速及寿命长等优点； 当发光二极管正向流过一定电流的时，具有发光的特性，驱动电路如图；R的取值由下式计算：2. 发光二极管发光二极管ddsatCCIVVVR电子系统设计电子系统设计BTR 蜂呜器又称音响器、讯响器，是一种

59、小型化的电声器件，按工作原理分为压电式和电磁式两大类；u 压电式蜂鸣器采用压电陶瓷片制成，陶瓷片将随电信号的频率发生机械振动，从而发出声响；u 电磁式蜂鸣器的内部由磁铁、线圈和振动膜片等组成，当音频电流流过线圈时，线圈产生磁场，振动膜产生机械振动，并在共鸣腔的作用下发出声响。 根据音源的类型不同，蜂呜器可归纳为有源和无源两大类；u “有源”的蜂鸣器内部装有集成电路，它不需要外加振荡电路，只要接通直流电源就能发出声响；u “无源”的蜂呜器则相当于一个微型扬声器，只有外加音频驱动信号才能发出声响。3. 蜂鸣器蜂鸣器电子系统设计电子系统设计BTR 压电式蜂鸣器驱动电路 电磁式蜂鸣器驱动电路电子系统设

60、计电子系统设计BTR 静态显示方式：u 每一位显示器由一个8位输出口控制要显示符号的信息，任何时刻都可在每一位数码管上显示不同的字符；u 静态显示方式的缺点是占用I/O口资源较多，优点是容易获得高亮度显示，同时软件编程也较简单；u 一般在显示位数不多时采用。 LED数码管内部由7段或8段发光二极管笔划组成，分为共阳数码管和共阴数码管两种。vLED显示方式 8884. LED数码管数码管电子系统设计电子系统设计BTR 动态显示方式：u 由一个8位I/O口控制各LED显示器的段选码，而由另一个n位的I/O口线控制n个显示器的位选。利用人眼的视觉暂留效果获得稳定的显示状态；u 动态显示方式可以简化电路、降低