常用數(shù)據(jù)傳輸接口

1、第12章 常用數(shù)據(jù)傳輸接口v本章主要介紹I2C，SPI和1-wire三種傳輸總線的傳輸協(xié)議及過程，為了便于大家對三種傳輸總線的理解，筆者針對每種傳輸總線分別介紹了AT24C02，DS1302和DS18B20三款芯片的使用方法和應用過程。12.1 I2C總線AT24C02設計12.1.1 I2C總線概述vI2C總線全稱是Inter-Integrated Circuit總線，有時也寫為IIC總線，由菲利普公司推出，是廣泛采用的一種新型總線標準，也是同步通信的一種通信形式。具有接口線少、占用的空間非常小、控制簡單、通信速率較高等優(yōu)點。所有與I2C兼容的器件都具有標準的接口，可以把多個I2C總線器件同

2、時接入I2C總線上，通過地址來識別通信對象，使它們可以經(jīng)由I2C總線相互直接通信。12.1.2 I2C總線硬件結構圖圖圖12.1.1 I2C總線系統(tǒng)的硬件結構圖總線系統(tǒng)的硬件結構圖12.1.3 I2C總線通信時序vI2C總線上進行一次數(shù)據(jù)通信的時序圖12.1.2所示。 圖圖12.1.2 I2C總線進行一次數(shù)據(jù)通信的時序圖總線進行一次數(shù)據(jù)通信的時序圖12.1.4 數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定 圖圖12.1.4 I2C總線數(shù)據(jù)位有效性規(guī)定總線數(shù)據(jù)位有效性規(guī)定12.1.5 發(fā)送啟動信號圖圖12.1.5 I2C總線啟動信號時序圖總線啟動信號時序圖 12.1.6 發(fā)送尋址信號v器件地址有7位和10位兩種，這里只介

3、紹7位地址尋址方式。v在I2C總線開始信號后，再發(fā)送尋址信號。送出的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)是SLA尋址字節(jié)，用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位(R/ )。 W12.1.7 應答信號規(guī)定圖圖12.1.6 I2C總線應答信號時序圖總線應答信號時序圖12.1.8 數(shù)據(jù)傳輸 v數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：v（1）假設器件A要向器件B發(fā)送信息：v器件A（主機）尋址器件B（從機）v器件A（主機發(fā)送器）發(fā)送數(shù)據(jù)到器件B（從機接收器）v器件A終止傳輸v（2）假設器件A要讀取器件B中的信息：v器件A（主機）尋址器件B（從機）v器件A（主機接收器）從器件B（從機發(fā)送器）接收數(shù)據(jù)v器件A終止傳輸12.1.9

4、非應答信號規(guī)定v當主機為接收設備時，主機對最后一個字節(jié)不應答，以向發(fā)送設備表示數(shù)據(jù)傳送結束。12.1.10 發(fā)送停止信號圖圖12.1.7 I2C總線停止信號時序圖總線停止信號時序圖12.2 單片機模擬I2C總線通信v在單片機模擬I2C總線通信時，需要調(diào)用一些函數(shù)構建相應的時序。這些函數(shù)有：總線初始化、啟動信號、應答信號、停止信號、寫一個字節(jié)、讀一個字節(jié)。12.3 AT24C02的基礎知識v具有I2C總線接口的EEPROM很多，在此就僅介紹ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C系列EEPROM，其主要型號AT24C01/02/04/08/16等，其對應的存儲容量分別為128x8/256x8/512x8/

5、1024x8/2048x8。采用這類芯片可以解決掉電數(shù)據(jù)丟失的問題，可以對保存的數(shù)據(jù)保持100年，并可以擦除10萬次以上。12.3.1 AT24C02引腳配置與引腳功能圖圖12.3.1 AT24C02芯片實物圖和管腳圖芯片實物圖和管腳圖12.3.2 AT24C02的特性v與400KHz I2C總線兼容v1.8到6.0伏電壓范圍v低功耗CMOS技術v寫保護功能：當WP位高電平時進行寫保護狀態(tài)v頁寫緩沖器v自定時擦除寫周期v1,000,000編程/擦除周期v可保存數(shù)據(jù)100年v8腳DIP、SOIC或TSSOP封裝v溫度范圍：商業(yè)級、工業(yè)級和汽車級12.3.3 AT24C02管腳描述圖圖12.3.2

6、 單片機與單片機與AT24C02連接的電路圖連接的電路圖v AT24C02管腳功能描述管腳功能描述表表12.3.1 AT24C02管腳功能描述管腳功能描述12.4 AT24C02的應用實例v12.4.1 設計要求v采用定時中斷方式，設計一個059s變化的秒表，將每次顯示在數(shù)碼管上的時間（059）存入AT24C02。圖圖12.4.1 基于基于AT24C02的秒表設計原理圖的秒表設計原理圖12.5 SPI 總線DS1302實時時鐘設計12.5.1 SPI總線簡介vSPI是英文Serial Peripheral Interface的縮寫，中文意思是串行外圍設備接口。SPI接口是Motorola 首先

7、提出的全雙工三線同步串行外圍接口，采用主從模式（Master Slave）架構；支持多Slave模式應用，一般僅支持單Master。時鐘由Master控制，在時鐘移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根單向數(shù)據(jù)線，為全雙工通信，目前應用中的數(shù)據(jù)速率可達幾Mbps的水平。 圖圖12.5.1 SPI 主從機接口連接圖主從機接口連接圖12.5.2 接口定義數(shù)據(jù)傳輸圖圖12.5.2 SPI信號傳輸示意圖信號傳輸示意圖v接口定義數(shù)據(jù)傳輸表表12.5.1 SPI 的的4根信號線功能表根信號線功能表圖圖12.5.3 多個多個SPI從設備級聯(lián)圖從設備級聯(lián)圖圖圖12.

8、5.4 多個多個SPI從設備獨立連接圖從設備獨立連接圖v要注意的是：要注意的是：SCK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主控設備。這樣的傳輸方式有個優(yōu)點：與普通的串行通信相比，SPI允許數(shù)據(jù)一位一位地傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設備通過對SCLK時鐘信號的控制可以完成對通信的控制。SPI還有一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線相互獨立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設備的實現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時間不同，在時鐘信號上升沿或下

9、降沿的采集有不同的定義，具體的情況需要參考相關器件的技術文檔。12.6 DS1302的基礎知識vDS1302主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。 vDS1302缺點：時鐘精度不高，易受環(huán)境影響，出現(xiàn)時鐘混亂等缺點。vDS1302優(yōu)點：DS1302可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。 vDS1302的結構及工作原理的結構及工作原理 vDS1302工作電壓為2.5V5.5V，采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RA

10、M數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。vDS1302實物及引腳圖，如圖 圖圖12.6.1 DS1302實物及引腳圖實物及引腳圖vDS1302串行時鐘由電源、輸入移位寄存器、命令控制邏輯、振蕩器、實時時鐘以及RAM組成，其結構圖如圖 圖圖12.6.2 DS1302結構圖結構圖 vDS1302的控制字節(jié)的控制字節(jié) 圖圖12.6.3 DS1302單字節(jié)數(shù)據(jù)讀單字節(jié)數(shù)據(jù)讀/寫時序?qū)憰r序 12.7 DS1302顯示時鐘的實例v12.7

11、.1 設計要求v用DS1302設計一個數(shù)字時鐘。圖圖12.7.1 DS1302電路連接原理圖電路連接原理圖12.8 1-Wire總線介紹及DS18B20測量溫度設計v12.8.1 1-wire單總線概述圖圖12.8.1 1-wire總線示意圖總線示意圖12.8.2 DS18B20的基礎知識v以Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20芯片為例，DS18B20是Dallas公司繼DS1820后推出的一種改進型智能數(shù)字溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它只需一根導線就能直接讀出被測溫度，并可以根據(jù)實際需求編程實現(xiàn)912位數(shù)字值的讀數(shù)方式。它有三種封裝形式 圖圖12.8.2 三種封裝形式及芯片的外形圖三種封裝形式及芯片的外形圖vDS18B20內(nèi)部結構內(nèi)部結構圖圖12.8.3 DS18B20內(nèi)部結構框圖內(nèi)部結構框圖vDS18B20的工作原理的工作原理 圖圖12.8.4 DS18B20的測溫原理圖的測溫原理圖12.9 DS18B20測量溫度的實例v12.9.1 設計要求vDS18B20它在一根數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，這就需要一定的協(xié)議來對讀/寫數(shù)據(jù)提出嚴格的時序要求，而AT89系列單片機并不支持單線傳輸。因此，