单片机原理及应用（基于C51+Proteus仿真）课件 第9章 单片机串行扩展技术

9单片机串行扩展技术本章讲述的串行I/O总线扩展技术，特指在同一块印制板上，单片机和外围的串行IC芯片之间的数据交换技术，是单片机串行I/O数据交换接口和功能的扩展。本章串行I/O总线扩展技术是该技术共包含三种总线方式：SPI（SerialPeripheralInterface）总线、I2C(ICTOICBUS)总线和One-Wire总线。9.1SPI串行总线技术

串行外设总线SPI（SerialPeripheralInterface）是Motorola公司推出的串行外设总线，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，由于其在芯片的管脚上只占用四根线，既节约了芯片的管脚又为PCB的布局节省了空间

带SPI接口的外围器件都有片选端，其特点是数据传送速度较高（可达1.05Mbps），硬件扩展比较简单，软件实现方便。一、SPI总线概述

图9-1中，Master为主器件，Slave为从器件。SCLK为同步时钟信号，由主器件产生，也简称SK；MOSI为主器件输出，从器件输入线，简称SI；MISO为主器件输入，从器件输出线，简称SO；/SS为从器件使能信号，由主器件控制，用来选择和主机通信的外围芯片。SPI系统数据交换的时序信号定义见图9-2。在

信号有效后，SPI芯片被选中，数据传送在MOSI/MISO总线上进行，在SCK的控制下，从高位至低位逐位传送。8位送完，

信号复位，传送结束。需要注意的是，对应不同的芯片，SCK信号的触发方式不同，图9-2中列出了4种形式，选用时需查阅具体SPI芯片的使用说明。另外，若使用的SPI芯片只需单向的数据传送，可省去不用的SI或SO；若只有单个芯片，可将引脚接地，此时SPI和单片机的连接只需2条线。

MCS-51系列单片机中，多数单片机内部没有SPI接口，我们可以用软件控制单片机I/O引脚的电平时序，来模拟3条总线。

TLC549是美国TI推出的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近方法实现A/D转换，其转换速度小于17µs，最大转换速率为40kHz，内部系统时钟的典型值为4MHz，电源为3~6V。

1、TLC549的引脚及功能二、应用实例REF+：正基准电压输入，2.5V≤VREF+≤Vcc+0.1V。

REF－：负基准电压输入端，-0.1V≤VREF－≤2.5V。

且：（VREF+）－（VREF-）≥1V。VCC：电源，3V≤VCC≤6V。GND：地。：片选端。

DATAOUT：转换结果数据串行输出端，与TTL电平兼容，输出时高位在前，低位在后。

ANALOGIN：模拟信号输入端，0≤VANALOGIN≤Vcc，当VANALOGIN≥VREF+时，转换结果为全“1”(0xff)，当VANALOGIN≤VREF-电压时，转换结果为全“0”(0x00)。

I/OCLOCK：外接输入/输出时钟输入端，用于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。

2、TLC549的工作时序（1）串行数据中高位A7先输出，最后输出低位A0；

（2）在

变为低电平后，前一次转换结果的最高有效位（A7）自动置于DATAOUT总线。其余7位（A6~A0）在前7个I/OCLOCK下降沿由时钟同步输出。（5）当

变为低电平后，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB（A7）自DATAOUT端输出，接着要求从I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号

第8个I/OCLOCK下降沿后，CS必须为高，或I/OCLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待转换工作的完成。

由此可见，在TLC549的I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次转换开始。

【例9-1】单片机控制串行8位A/D转换器TLC549进行A/D转换，原理电路与仿真结果见图9-5。由电位计RV1提供给TLC549模拟量输入，通过调节RV1上的“+”、“−”端，改变输入电压值。编写程序将模拟电压量转换成二进制数字量，本例用P0口输出控制8个发光二极管的亮与灭显示转换结果的二进制码。参考程序如下：#include<reg51.h>#include<intrins.h> //包含_nop_()函数头文件#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineledP0sbitsdo=P1^0; //定义P1.0与TLC549的SDO脚（即5脚DATAOUT）连接sbitcs=P1^1; //定义P1.1与TLC549的脚连接sbitsclk=P1^2;//定义P1.2与TLC549的SCLK脚（即7脚I/OCLOCK）连接voiddelayms(uintj) //延时函数{ uchari=250; for(;j>0;j--) {while(--i); i=249; while(--i); i=250; }}voiddelay18us(void) 延时约18µs函数{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();nop_();_nop_();}ucharconvert(void){ uchari,temp; cs=0;delay18us();for(i=0;i<8;i++) { if(sdo==1)temp=temp|0x01; if(i<7)temp=temp<<1; sclk=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); sclk=0; _nop_();_nop_();} cs=1; return(temp);}voidmain(){ucharresult;led=0;cs=1;sclk=0;sdo=1;while(1) { result=convert(); led=result; //转换结果从P0口输出驱动LED delayms(1000); }}9.2串行I2C总线接口技术I2C总线（InterIntegrateCircuitBUS，或ICTOICBUS），又叫IIC总线，是Philips公司设计的一种IC芯片之间的全双工同步串行总线技术。和SPI总线相比，它用的通信连线更少，采用2条线实现数据通信。一、I2C串行总线接口基本结构

1.I2C串行总线的特点1）使用2条通信总线交换数据。一条是时钟线SCL，另一条是数据线SDA。数据线SDA上传送数据，数据传送以帧为单位，每帧含一个字节数据和一位应答信号位，数据字节的传送次序为先高位后低位；时钟线SCL提供数据传送的位同步信号。2）2条总线的数据传送都是双向的，挂接在总线上的I2C器件，接口为开漏极形式，须接上拉电阻。3）I2C芯片的寻址方式采用引脚设置、软件寻址，和MSC-51的地址总线无关。“引脚电平”是芯片有3个地址引脚，可接固定的“0”“1”电平而设置成不同的引脚地址。软件寻址指令的编码内容包括“器件标识”、“引脚电平”和“方向位”三部分，如表9-1所示。

2.I2C总线的数据传输协议及方式1．数据位的有效性规定I2C总线数据传送时，每一数据位传送都与时钟脉冲相对应。时钟脉冲为高电平期间，数据线上数据须保持稳定，在I2C总线上，只有在时钟线为低电平期间，数据线上电平状态才允许变化。2．起停控制和应答信号的规定

①“起始”信号（S）——在SCL为高期间，SDA线由高到低的变化表明数据传送开始。②“停止”信号(P)——在SCL为高期间，SDA线由低到高的变化表明数据传送停止。需要说明的是，I2C总线的启动(S)和停止(P)信号，都是由主机发出的。在启动信号出现后，总线就处于“忙”状态；在停止信号发出后，表示该主机放弃总线，总线处于空闲状态。3.数据传送形式

数据传送以数据帧为单位，每帧含1个字节8位数据和1个应答信号位，共9位。帧内字节的传送顺序是先最高位（MSB），依次到最低位（LSB）1)应答信号（A）。应答信号是接收方接收到一个字节数据后，给予发送方的回应，表示接收正常。I2C总线上传送一个字节的数据后，发送方在第9个SCL脉冲高电平期间，释放SDA线（高电平），接收方使该线变为低电平，作为应答信号。发送方在收到应答信号后，才能继续进行后续的数据发送。2)非应答信号（

）。如果接收方未能收到数据字节，在第9个SCL脉冲高电平期间，它将在数据线SDA上发出“非应答”信号，即高电平。发送方在收到该信号后，发出停止信号或新的起始信号。当主机接收来自从机的数据时，在接收最后一个数据帧后，须发出非应答信号，使从机释放SDA线，以便随后主机发出停止信号。（1）总线初始化函数

初始化函数的功能是将SCL和SDA总线拉高以释放总线。参考程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h> //包含函数_nop_()的头文件sbitsda=P1^0; //定义I2C模拟数据传送位sbitscl=P1^1; //定义I2C模拟时钟控制位voidinit() //总线初始化函数{ scl=1; //scl为高电平_nop_(); //延时约1µssda=1; //sda为高电平delay5us(); //延时约5µs}

二、I2C总线的信号时序及模拟（2）起始信号S函数。要求一个新的起始信号前总线的空闲时间大于4.7µs，而对于一个重复的起始信号，要求建立时间也须大于4.7µs。图9-12（a）为起始信号的时序波形在SCL高电平期间SDA发生负跳变。起始信号到第1个时钟脉冲负跳沿的时间间隔应大于4µs。起始信号S的函数：voidstart(void) //起始信号函数{scl=1; sda=1;delay5us();sda=0;delay4us();scl=0;}（3）终止信号P函数。图9-12（b）为终止信号P的时序波形。在SCL高电平期间SDA的一个上升沿产生终止信号。终止信号函数：voidstop(void) //终止信号函数{scl=0;sda=0;delay4us();scl=1;delay4us();sda=1;delay5us();sda=0;}（4）应答位函数。发送接收应答位与发送数据“0”相同，即在SDA低电平期间SCL发生一个正脉冲。发送接收应答位的函数：voidAck(void){ uchari;sda=0;scl=1;delay4us();while((sda==1)&&(i<255))i++;scl=0;delay4us();}

（5）非应答位/数据“1”函数。发送非应答位与发送数据“1”相同，即在SDA高电平期间SCL发生一个正脉冲。发送非接收应答位/数据“1”的函数：voidNoAck(void) { sda=1;scl=1;delay4us();scl=0;sda=0;}三、应用实例许多公司都推出带有I2C接口的单片机及各种外围扩展器件，常见的有ATMEL的AT24C××系列存储器、PHILIPS的PCF8553（时钟/日历且带有256×8RAM）和PCF8570（256×8RAM）、MAXIM的MAX117/118（A/D转换器）和MAX517/518/519（D/A转换器）等。AT240XX系列芯片是ATMEL公司的产品，是一种采用I2C总线接口技术的EEPROM器件，该系列常见的型号有AT2401A/02/04/08/16等5种，其存储容量分别为1024/2048/4096/8192/16384位，也就是128/256/512/1024/2048字节。1．AT24C02芯片简介（1）封装与引脚

AT24C02的封装形式有双列直插（DIP）8脚式和贴片8脚式两种，无论何种封装，其引脚功能都是一样的。（2）存储结构与寻址

AT24C02存储容量为256B，分为32页，每页8B。有两种寻址方式：芯片寻址和片内子地址寻址。

①芯片寻址。AT24C02芯片地址固定为1010，它是I2C总线器件的特征编码，其地址控制字的格式为1010A2A1A0R/W*。A2A1A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码，与1010形成7位编码，即为该器件的地址码。由于A2A1A0共有8种组合，故系统最多可外接8片AT24C02，R/W*是对芯片的读/写控制位。②片内子地址寻址。在确定了AT24C02芯片的7位地址码后，片内的存储空间可用1字节的地址码进行寻址，寻址范围为00H～FFH，即可对片内的256个单元进行读/写操作。（3）写操作

AT24C02有两种写入方式，字节写入与页写入。

①字节写入方式。单片机（主器件）先发送启动信号和1字节的控制字，从器件发出应答信号后，单片机再发送1字节的存储单元子地址（AT24C02内部单元的地址码），单片机收到AT24C02应答后，再发送8位数据和1位终止信号。②页写入方式。单片机先发送启动信号和1字节控制字，再发送1字节存储器起始单元地址，上述几个字节都得到AT24C02应答后，就可发送最多1页的数据，并顺序存放在已指定的起始地址开始的相继单元，最后以终止信号结束。（4）读操作

AT24C02读操作也有两种方式，即指定地址读和指定地址连续读。①指定地址读方式。单片机发送启动信号后，先发送含有芯片地址的写操作控制字，AT24C02应答后，单片机再发送1字节的指定单元地址，AT24C02应答后再发送1个含有芯片地址读操作控制字，此时如AT24C02应答，被访问单元的数据就会按SCL信号同步出现在SDA线上，供单片机读取。②指定地址连续读方式。指定地址连续读方式是单片机收到每个字节数据后要做出应答，只有AT24C02检测到应答信号后，其内部的地址寄存器就自动加1指向下一个单元，并顺序将指向单元的数据送到SDA线上。【例9-2】单片机通过I2C串行总线扩展1片AT24C02，实现单片机对存储器AT24C02的读、写。由于Proteus元件库中没有AT24C02，可用FM24C02芯片代替。AT89S51与FM24C02的接口原理电路见9-14。KEY1作为外部中断0的中断源，当按下KEY1，单片机通过I2C总线发送数据0x55给AT24C02，等发送数据完毕后，将0x55送P2口通过LED显示。KEY2作为外部中断1的中断源，当按下KEY2时，单片机通过I2C总线读AT24C02，等读数据完毕后，将读出的最后数据0xaa送P2口的LED显示出来。本例参考程序：#include"reg51.h"#include"intrins.h" //包含有函数_nop_()的头文件#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineoutP2 //发送缓冲区的首地址sbitscl=P1^1; sbitsda=P1^0;sbitkey1=P3^2;sbitkey2=P3^3;uchardatamem[4]_at_0x55; //发送缓冲区的首地址ucharmem[4]={0x41,0x42,0x43,0xaa};//欲发送的数据数组uchardatarec_mem[4]_at_0x60; //接收缓冲区的首地址voidstart(void); //起始信号函数voidstop(void); //终止信号函数voidsack(void); //发送应答信号函数bitrack(void); //接收应答信号函数voidackn(void); //发送无应答信号函数voidsend_byte(uchar); //发送一个字节函数ucharrec_byte(void); //接收一个字节函数voidwrite(void); //写一组数据函数voidread(void); //读一组数据函数voiddelay4us(void); //延时4µsvoidmain(void) //主函数{EA=1;EX0=1;EX1=1; //总中断开，外中断0与外中断0允许中断while(1);}voidext0()interrupt0 //外中断0中断函数{write(); //调用写数据函数}voidext1()interrupt2 //外中断1中断函数{read(); //调用读数据函数}voidread(void) //读数据函数{uchari;bitf;start(); //起始函数send_byte(0xa0); //发从机的地址f=rack(); //接收应答if(!f){start(); //起始信号send_byte(0xa0);f=rack();send_byte(0x00); //设置要读取从器件的片内地址f=rack();if(!f){ or(i=0;i<3;i++) { rec_mem[i]=rec_byte(); sack(); } rec_mem[3]=rec_byte();ackn(); } } }stop();out=rec_mem[3];while(!key2);}voidwrite(void) //写数据函数{uchari;bitf;start();send_byte(0xa0);f=rack();-if(!f){ send_byte(0x00); f=rack();if(!f){ for(i=0;i<4;i++) { send_byte(mem[i]); f=rack(); if(f)break; }}}stop();out=0xc3;while(!key1);}voidstart(void) //起始信号{scl=1;sda=1;delay4us();sda=0;delay4us();scl=0;}voidstop(void) //终止信号{scl=0;sda=0;delay4us();scl=1;delay4us();sda=1;delay5us();sda=0;}bitrack(void) //接收一个应答位{bitflag;scl=1;delay4us();flag=sda;scl=0;return(flag);}voidsack(void) //发送接收应答位{sda=0;delay4us();scl=1;delay4us();scl=0;delay4us();sda=1;delay4us();}voidackn(void) //发送非接收应答位{sda=1;delay4us();scl=1;delay4us();scl=0;delay4us();sda=0;}ucharrec_byte(void) //接收一个字节{uchari,temp;for(i=0;i<8;i++){ temp<<=1; scl=1;delay4us(); temp|=sda; scl=0; delay4us();}return(temp);}voidsend_byte(uchartemp) //发送一个字节{uchari;scl=0;for(i=0;i<8;i++){ sda=(bit)(temp&0x80); scl=1; delay4us(); scl=0; temp<<=1;}sda=1;}voiddelay4us(void) //延时4µs{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}9.3串行单总线(1-Wire)技术

单总线（也称1-Wirebus）由美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线。只有一条数据输入/输出线DQ，总线上所有器件都挂在DQ上，电源也通过这条信号线供给。单总线系统中配置的各种器件，由DALLAS公司提供的专用芯片实现。每个芯片都有64位ROM，厂家对每一芯片都用激光烧写编码，其中存有16位十进制编码序列号，它是器件的地址编号，确保它挂在总线上后，可以唯一被确定。

单片机和单总线芯片交换数据过程，一般分为三个步骤：一是主机对总线的初始化，包括呼叫从机芯片和从机芯片回答；二是单片机发出芯片寻址指令，通过和每个芯片固有的64位ROM地址代码相比较，使指定的芯片成为数据交换的对象，而其余的芯片则处于等待状态；三是单片机发送具体操作指令进行读写操作。在只有一个从机芯片的情况下，步骤二可以省略其中的寻址的过程，仅执行一条“跳跃”命令，然后进入步骤三。一、单总线的工作原理单总线工作时序：1）初始化序列时序。该时序由主机发出，对单总线系统进行复位，并由从机发出应答信号。

初始化时序包括主机发出的复位脉冲和从机的应答脉冲,该过程至少需要960us。如图9-16，主机在总线上输出“0”电平并保持至少480us作为复位脉冲，表示主机对系统复位并呼叫从机，然后主机释放总线，总线在上拉电阻的作用下变为“1”电平，至此复位脉冲完成；从机在接到主机的复位脉冲后，先对自己内部复位，然后对总线输出“0”电平，并保持60us～240us，作为对主机呼叫的应答信号，主机检测到该信号，即可确认总线上有从机存在。

2）写时序。如图9-17。在“写时序”中，主机对从机写1位数据。一个写时序至少60us，在两个写时序之间要有1us的恢复时间。

（1）写“0”。主机向总线输出“0”，并保持60us后释放总线。从机在写时序开始15us后开始对总线采样，读入总线数据。

（2）写“1”。主机向总线输出“0”，1us后输出“1”并保持60us。从机在写时序开始15us后开始对总线采样，读入总线数据。3）读时序。如图9-18。单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机送出数据，所以在主机发出读数据命令后，必须立即产生读时序，以便从机开始传送数据。每个读时序也至少需要60us时间。且两个读时序的间隔也至少为1us。读时序由主机发起，拉低总线至少15us，然后从机接管总线，开始发送“0”或“1”数据，主机在1us后采样总线接收数据。二、应用实例数字温度传感器DS18B20是采用单总线方式的温度传感器。（1）DS18B20芯片的主要特点●工作电压3.0V～5.5V●温度测量范围-55°C～125°C●在－10°C～+85°C范围内，测量精度为±0.5°C。●待机状态下无功率消耗。●可编程分辨率9～12位，每位分别代表0.5°C、0.25°C、0.125°C和0.0625°C。●温度测量时间200ms。

（

2）DS18B20芯片内部结构DS18B20芯片内部中主要部件是64位光刻ROM和温度传感器。64位的光刻ROM，其中存放着64位的序列号代码，在出厂前被厂家制作固化在芯片中，是该芯片的地址序列代码。64位代码的排序是：开始8位(28H)是产品类型标号，接下来的48位是该芯片自身的序列号，最后8位是前面56位数字的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+X+1）。该序列代码在主机发出读ROM指令后可被读出，主机可由此确定芯片的身份。

温度传感器是芯片的核心部分，它连续地对物体温度进行测量，并连续地将新测量结果存放在高速暂存器RAM中，存放形式如下：

测量温度值被放在两个字节中，高字节的高5位是符号位，代表一位符号。若这5位均为“0”，表示符号为正，测量温度为正值；若这5位均为“1”，则表示符号为负，测量的温度为负值。高字节的低3位和低字节的8位，共11位，是测量的数值部分。测量值为正时，将数值乘以0.0625即可得到实际测量温度数；测量值为负时，将数值其变补再乘以0.0625即可得到实际测量温度的绝对值。温度转换的计算方法。当DS18B20采集的温度为+125℃时，输出为0x07d0，则：实际温度=（0x07d0）/16=(0×163+7×162+13×161+0×160)/16=125℃当DS18B20采集的温度为-55℃时，输出为0xfc90，由于是补码，则先11位数据取反加1得0x0370，注意符号位不变，也不参加运算，则

实际温度=（0x0370）/16=(0×163+3×162+7×161+0×160)/16=55℃

注意，负号则需对采集的温度进行判断后，再予以显示。

非易失性温度报警触发器TH、TL以及配置寄存器由9字节的E2PROM高速暂存器组成。

当单片机发给DS18B20温度转换命令后，经转换所得温度值以两字节补码形式存放在高速暂存器的第1字节和第2字节。单片机通过单总线接口读得该数据，读取时低位在前，高位在后，第3、4、5字节分别是TH、TL以及配置寄存器的临时副本，每一次上电复位时被刷新。第6、7、8字节未用，为全1。读出的第9字节是前面所有8个字节的CRC码，用来保证正确通信。一般情况下，用户只使用第1字节和第2字节。DS18B20片内非易失性温度报警触发器TH和TL可由软件写入用户报警的上下限值。高速暂存器中第5个字节为配置寄存器，可对其更改DS18B20的测温分辨率。

其中，TM位出厂时已被写入0，用户不能改变；低5位都为1；R1和R0用来设置分辨率。单片机对DS18B20的读写过程的三个步骤是：

（1）发出初始化时序。单片机将总线拉低480us，DS18B20收到复位信号后即开始自身复位，并发出应答信号（输出一持续60~240µs的低电平），然后进入测温状态，并将测得温度随时装入高速暂存器RAM中，等待读出；

（2）写时序。单片机将数据线电平从高拉到低时，产生写时序，有写“0”和写“1”两种时序。

（3）读时序，当单片机从DS18B20读取数据时，产生读时序。此时单片机将数据线电平从高拉到低使读时序被初始化。如果在此后15µs内，单片机在数据线上采样到低电平，则从DS18B20读的是“0”；如果在此后的15µs内，单片机在数据线上采样到高电平，则从DS18B20读的是“1”。DS18B20所有命令均为8位长，常用的命令代码见表9-6。【例9-3】利用DS18B20和LED数码管组成单总线温度测量系统，原理电路见图9-20。DS18B20测量范围是−55～128℃。本例只显示00～99。

电路中74LS47是BCD-7段译码器/驱动器，用于将单片机P0口输出欲显示的BCD码转化成相应的数字显示的段码，并直接驱动LED数码管显示。参考程序：#include"reg51.h"#include"intrins.h"#defineucharunsi