第8章單片機(jī)小系統(tǒng)及片外擴(kuò)展

航空自動(dòng)化學(xué)院陳維興單片機(jī)原理及應(yīng)用1/14/20231第8章單片機(jī)小系統(tǒng)及片外擴(kuò)展89C51單片機(jī)芯片內(nèi)集成了計(jì)算機(jī)的基本功能部件，已具備了很強(qiáng)的功能。一塊芯片就是一個(gè)完整的最小微機(jī)系統(tǒng)，但片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量、并行I/O端口、定時(shí)器等內(nèi)部資源都還是有限的。根據(jù)實(shí)際需要，89C51單片機(jī)可以很方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。擴(kuò)展應(yīng)盡量采用串行擴(kuò)展方案。通過(guò)SPI或I2C總線擴(kuò)展E2PROM、A/D、D/A、顯示器、看門(mén)狗、時(shí)鐘等芯片，占用MCU的I/O口線少，編程也方便。1/14/202328.1串行擴(kuò)展總線接口技術(shù)89C51除芯片自身具有UART可用于串行擴(kuò)展I/O口線以外，還可利用89C51的3～4根I/O口線進(jìn)行SPI或I2C的外設(shè)芯片擴(kuò)展，以及單總線的擴(kuò)展。1/14/202338.1.1SPI串行外設(shè)接口總線SPI(SerialPeripheralInterface——串行外設(shè)接口）總線是Motorola公司推出的一種同步串行外設(shè)接口，它用于MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信（8位數(shù)據(jù)同時(shí)同步地被發(fā)送和接收），系統(tǒng)可配置為主或從操作模式。外圍設(shè)備包括簡(jiǎn)單的TTL移位寄存器（用作并行輸入或輸出口）至復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器或A/D轉(zhuǎn)換器等。1/14/20234SPI系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，它只需4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線CS(SS）。在SPI接口中，數(shù)據(jù)的傳輸只需要1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和2條數(shù)據(jù)線。1/14/20235由于SPI系統(tǒng)總線只需3～4位數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI的各種I/O器件，而并行總線擴(kuò)展方法需8根數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因而SPI總線的使用可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，省掉了很多常規(guī)電路中的接口器件，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。1/14/202361.SPI總線系統(tǒng)的組成圖8-1是SPI總線系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖。圖8-1SPI外圍擴(kuò)展示意圖1/14/20237單片機(jī)與外圍擴(kuò)展器件在時(shí)鐘線SCK、數(shù)據(jù)線MOSI和MISO上都是同名端相連。帶SPI接口的外圍器件都有片選端CS。在擴(kuò)展多個(gè)SPI外圍器件（如圖8-1所示）時(shí)，單片機(jī)應(yīng)分別通過(guò)I/O口線來(lái)分時(shí)選通外圍器件。當(dāng)SPI接口上有多個(gè)SPI接口的單片機(jī)時(shí)，應(yīng)區(qū)別其主從地位，在某一時(shí)刻只能由一個(gè)單片機(jī)為主器件。圖8-1中MCU（主）為主器件，MCU（從）為從器件。1/14/20238SPI有較高的數(shù)據(jù)傳送速度，主機(jī)方式最高速率可達(dá)1.05Mb/s，目前不少外圍器件都帶有SPI接口。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中，使用1個(gè)MCU作為主機(jī)，控制數(shù)據(jù)向1個(gè)或多個(gè)從外圍器件的傳送。從器件只能在主機(jī)發(fā)命令時(shí),才能接收或向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位（MSB）在前，低位(LSB）在后。1/14/20239當(dāng)SPI工作時(shí)，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一字節(jié)后，從另一個(gè)外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。主SPI的時(shí)鐘信號(hào)（SCK）使傳輸同步。1/14/202310SPI總線有以下主要特性：全雙工、3線同步傳輸；主機(jī)或從機(jī)工作；提供頻率可編程時(shí)鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；寫(xiě)沖突保護(hù)；總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)等。其典型時(shí)序圖如圖8-2所示。圖8-2SPI串行總線典型時(shí)序圖1/14/2023112.89C51單片機(jī)串行擴(kuò)展SPI外設(shè)接口的方法1）用一般I/O口線模擬SPI操作對(duì)于沒(méi)有SPI接口的89C51來(lái)說(shuō)，可使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和輸出。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于在SCK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)取圖8-3中的串行時(shí)鐘輸出P1.1的初始狀態(tài)為1；在允許接口芯片后，置P1.1為0。1/14/202312因此，MCU輸出1位SCK時(shí)鐘，同時(shí)，使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至89C51的P1.3(模擬MCU的MISO線）；再置P1.1為1，使89C51從P1.0輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入/輸出完成。以后再置P1.1為0，模擬下一位的輸入/輸出……依次循環(huán)8次，可完成1次通過(guò)SPI傳輸1字節(jié)的操作。對(duì)于在SCK的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應(yīng)取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為0，在接口芯片允許時(shí)，先置P1.1為1，此時(shí)，外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)（MCU接收1位數(shù)據(jù)）；再置時(shí)鐘為0，外圍接口芯片接收1位數(shù)據(jù)（MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù)），可完成1位數(shù)據(jù)的傳送。1/14/202313圖8-3為89C51（MCU）與MCM2814（E2PROM）的硬件連接圖。圖8-3SPI總線接口原理圖1/14/202314圖8-3中，P1.0模擬MCU的數(shù)據(jù)輸出端（MOSI），P1.1模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬SPI的從機(jī)選擇端，P1.3模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端（MISO）。下面介紹用89C51匯編語(yǔ)言模擬SPI串行輸入、串行輸出和串行輸入/輸出3個(gè)子程序。這些子程序也適用于在串行時(shí)鐘的上升沿輸入和下降沿輸出的各種串行外圍接口芯片，如8位或10位A/D芯片，74LS系列輸出芯片等。對(duì)于下降沿輸入、上升沿輸出的各種串行外圍接口芯片，只須改變P1.1的輸出順序，即輸出0，再輸入1；再輸出0……則這些子程序也同樣適用。1/14/202315（1）MCU串行輸入子程序SPIIN從MCM2814的SPISO線上接收1字節(jié)數(shù)據(jù)并放入寄存器R0中。SPIIN： SETB P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1 CLR P1.2；選擇從機(jī) MOV R1，#08H；置循環(huán)次數(shù)SPIN1： CLR P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0 NOP；延時(shí) NOP MOV C，P1.3；從機(jī)輸出SPISO送進(jìn)位C RLC A；左移至累加器ACC SETB P1.0；使P1.0(時(shí)鐘)輸出為1 DJNZ R1，SPIN1；判斷是否循環(huán)8次(1字節(jié)數(shù)據(jù)） MOV R0，A；1字節(jié)數(shù)據(jù)送R0 RET；返回1/14/202316（2）MCU串行輸出子程序SPIOUT將89C51中R0寄存器的內(nèi)容傳送到MCM2814的SPISI線上。SPIOUN： SETB P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1 CLR P1.2；選擇從機(jī) MOV R1，#08H；置循環(huán)次數(shù) MOV A，R0；1字節(jié)數(shù)據(jù)送累加器ACCSPIOT1： CLR P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0 NOP；延時(shí) NOP RLC A；左移至累加器ACC最高位至C MOV P1.0，C；進(jìn)位C送從機(jī)輸入SPISI線上 SETB P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1 DJNZ R1，SPIOT1；判斷是否循環(huán)8次（1字節(jié)數(shù)據(jù)） RET；返回1/14/202317（3）MCU串行輸入/輸出子程序SPIIO將89C51中R0寄存器的內(nèi)容傳送到MCM2814的SPISI中，同時(shí)從MCM2814的SPISO接收1字節(jié)數(shù)據(jù)存入R0中。SPIIO： SETB P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1 CLR P1,2；選擇從機(jī) MOV R1，#08H；置循環(huán)次數(shù) MOV A，R0；1字節(jié)數(shù)據(jù)送累加器ACCSPIO1： CLR P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0 NOP；延時(shí) NOP MOV C，P1.3；從機(jī)輸出SPISO送進(jìn)位C RLC A；左移至累加器ACC最高位至C MOV P1.0，C；進(jìn)位C送從機(jī)輸入 SETB P1.1；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1 DJNZ R1，SPIO1；判斷是否循環(huán)8次（1字節(jié)數(shù)據(jù)） MOV R0，A RET；返回1/14/2023182)利用89C51串行口實(shí)現(xiàn)SPI操作單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的功能無(wú)非是開(kāi)關(guān)量I/O、A/D、D/A、時(shí)鐘、顯示及打印功能等等。下面分析利用單片機(jī)串口與多個(gè)串行I/O接口芯片進(jìn)行接口的可行性。1/14/202319（1）串行時(shí)鐘芯片在有些需要絕對(duì)時(shí)間的場(chǎng)合，例如打印記錄、電話計(jì)費(fèi)、監(jiān)控系統(tǒng)中的運(yùn)行及故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)等，都需要以年、月、日、時(shí)、分、秒等表示的絕對(duì)時(shí)間。雖然單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器可以通過(guò)軟件進(jìn)位計(jì)數(shù)產(chǎn)生絕對(duì)時(shí)鐘，但由于掉電之后數(shù)據(jù)丟失，修改麻煩等原因，這樣產(chǎn)生的絕對(duì)時(shí)鐘總使設(shè)計(jì)者感到不滿意。因此我們提倡對(duì)絕對(duì)時(shí)鐘要求較高的場(chǎng)合使用外部時(shí)鐘芯片，串行時(shí)鐘芯片HT1380就是一個(gè)典型的器件。1/14/202320HT1380是一個(gè)8腳的日歷時(shí)鐘芯片，它可以通過(guò)串行口與單片機(jī)交換信息，如圖8-4所示。在該芯片中，X1、X2接晶振，SCLK作為時(shí)鐘輸入端，I/O端為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出端口，RST是復(fù)位引腳。由于該芯片只有當(dāng)RST為高時(shí)才能對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，因此可以利用單片機(jī)的I/O口線對(duì)它進(jìn)行控制（類(lèi)似于芯片選擇信號(hào)）。當(dāng)RST為低時(shí)，I/O引腳對(duì)外是高阻狀態(tài)，因此它允許多個(gè)串行芯片同時(shí)掛靠在串行端口上。CPU對(duì)它的輸入/輸出操作可以按串行的方式0（即擴(kuò)展I/O方式）進(jìn)行。1/14/202321圖8-4HT1380與單片機(jī)接口電路1/14/202322（2）串行LED顯示接口MAX7219該芯片可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED顯示器，這在智能儀表中已經(jīng)足夠了。89C51單片機(jī)與它的接口如圖8-5所示。同樣，單片機(jī)可以通過(guò)串行口以方式0與MAX7219交換信息，TXD作為移位時(shí)鐘、RXD作為串行數(shù)據(jù)I/O端、Load為芯片選擇端。當(dāng)Load位于低電平時(shí)，對(duì)它進(jìn)行讀/寫(xiě)操作；當(dāng)Load為高電平時(shí)，DIN處于高阻狀態(tài)。它同樣允許多個(gè)串行接口芯片共同使用89C51的串行口。1/14/202323圖8-5MAX7219與單片機(jī)接口電路1/14/202324（3）串行模擬量輸入芯片MAX1458MAX1458是一個(gè)可對(duì)差分輸入信號(hào)（如電橋）進(jìn)行程控放大（放大倍數(shù)可以由軟件設(shè)定），并進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換的芯片。它將放大與轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片上，圖8-6給出了它與單片機(jī)的串行接口電路。圖8-6串行A/D芯片與單片機(jī)接口電路1/14/202325它既可把轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)通過(guò)串口送到CPU，同時(shí)也可將轉(zhuǎn)換前的模擬信號(hào)輸出到顯示儀表。當(dāng)CS為高電平時(shí)，可對(duì)MAX1458進(jìn)行讀/寫(xiě)，單片機(jī)對(duì)它的讀/寫(xiě)也是以串口方式0進(jìn)行的；當(dāng)CS為低電平時(shí)，DIO對(duì)外處于高阻狀態(tài)。1/14/202326（4）串行接口芯片的一般接口規(guī)律除上面3種芯片之外，單片機(jī)還可以通過(guò)串行接口芯片與E2PROM、D/A轉(zhuǎn)換芯片等連接。它們與CPU的串行接口方式與以上幾種芯片類(lèi)似，即：都需要通過(guò)單片機(jī)的開(kāi)關(guān)量I/O口線進(jìn)行芯片選擇；當(dāng)芯片未選中時(shí)，數(shù)據(jù)端口均處于高阻狀態(tài)；與單片機(jī)交換信息時(shí)均要求單片機(jī)串行口以方式0進(jìn)行；傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的幀格式均要求先傳送命令/地址，再傳送數(shù)據(jù)；大都具有圖8-7所示的時(shí)序波形。1/14/202327圖8-7串行接口信號(hào)的一般時(shí)序圖1/14/202328（5）擴(kuò)展多個(gè)串行接口芯片的典型控制器的結(jié)構(gòu)在圖8-8所示的控制器電路中，數(shù)據(jù)采集均由串行接口芯片完成。由于無(wú)總線擴(kuò)展，單片機(jī)節(jié)余出來(lái)的其他資源可以作為打印機(jī)輸出控制、功能鍵、中斷邏輯等電路。在擴(kuò)展了系統(tǒng)功能的同時(shí)，極大地利用了系統(tǒng)資源，且使接口簡(jiǎn)單，控制器體積減小，可靠性提高。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與常規(guī)的單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)類(lèi)似，只是在芯片選擇方面不是通過(guò)地址線完成，而是通過(guò)I/O口線來(lái)實(shí)現(xiàn)。1/14/202329圖8-8基于串行接口控制器的電路結(jié)構(gòu)圖1/14/2023308.1.2I2C總線I2C總線是PHILIPS公司推出的串行總線。I2C總線的應(yīng)用非常廣泛，在很多器件上都配備有I2C總線接口，使用這些器件時(shí)一般都需要通過(guò)I2C總線進(jìn)行控制。這里簡(jiǎn)要介紹I2C總線的工作原理，介紹如何用51單片機(jī)進(jìn)行控制以及相應(yīng)的匯編語(yǔ)言控制程序的編寫(xiě)。I2C1/14/2023311I2C總線的概念I(lǐng)2C總線是一種具有自動(dòng)尋址、高低速設(shè)備同步和仲裁等功能的高性能串行總線，能夠?qū)崿F(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，是各種總線中使用信號(hào)線數(shù)量最少的。I2C總線只有兩根信號(hào)線：數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。1/14/202332所有進(jìn)入I2C總線系統(tǒng)中的設(shè)備都帶有I2C總線接口，符合I2C總線電氣規(guī)范的特性，只需將I2C總線上所有節(jié)點(diǎn)的串行數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL分別與總線的SDA和SCL相連即可。各節(jié)點(diǎn)供電可以不同，但需共地，另外SDA和SCL需分別接上拉電阻。1/14/202333當(dāng)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件稱為主器件；被尋址的任何器件都可看作從器件；發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上的器件稱為發(fā)送器；從總線上接收數(shù)據(jù)的器件稱為接收器。I2C總線是多主機(jī)總線，可以有兩個(gè)或更多的能夠控制總線的器件與總線連接；同時(shí)I2C總線還具有仲裁功能，當(dāng)一個(gè)以上的主器件同時(shí)試圖控制總線時(shí)，只允許一個(gè)有效，從而保證數(shù)據(jù)不被破壞。1/14/202334I2C總線的尋址采用純軟件的尋址方法，無(wú)需片選線的連接，這樣就簡(jiǎn)少了總線數(shù)量。主機(jī)在發(fā)送完啟動(dòng)信號(hào)后，立即發(fā)送尋址字節(jié)來(lái)尋址被控器件，并規(guī)定數(shù)據(jù)傳送方向。尋址字節(jié)由7位從機(jī)地址（D7～D1）和1位方向位（D0，0/1，讀/寫(xiě)）組成。當(dāng)主機(jī)發(fā)送尋址字節(jié)時(shí)，總線上所有器件都將該尋址字節(jié)中的高7位地址與自己器件的地址比較，若兩者相同，則該器件認(rèn)為被主機(jī)尋址，并根據(jù)讀/寫(xiě)位確定是從發(fā)送器還是從接收器。1/14/202335I2C總線具有多重主控能力，這就意味著可以允許多個(gè)作為主控器的電路模塊（具有I2C總線接口的單片機(jī)）去搶占總線。因此掛接在I2C總線上的集成電路模塊的發(fā)送器/接收器可以根據(jù)不同的工作狀態(tài)分為主控發(fā)送器、主控接收器、被控發(fā)送器和被控接收器。顯然，具有I2C總線接口的單片機(jī)可以工作在上述4種工作狀態(tài)中的任一狀態(tài)，而一些帶有I2C總線接口的存儲(chǔ)器（RAM或E2PROM）模塊只能充當(dāng)被控發(fā)送器或被控接收器。1/14/202336圖8-9示出了帶有兩個(gè)單片機(jī)和其他一些外圍電路模塊接入I2C總線的一個(gè)實(shí)例。圖8-9I2C總線典型系統(tǒng)示意圖1/14/202337在圖8-9中，假設(shè)單片機(jī)A要向單片機(jī)B發(fā)送信息，單片機(jī)A首先作為主控器在I2C總線上發(fā)送起始信號(hào)和時(shí)鐘，尋址作為被控器的單片機(jī)B，并確立信息傳送方向。接著，單片機(jī)A作為主控發(fā)送器便可通過(guò)SDA線向被控接收器（單片機(jī)B）發(fā)送信息，并在信息發(fā)送完畢后發(fā)送終止信號(hào)，以結(jié)束信息的傳送過(guò)程。1/14/202338假設(shè)單片機(jī)A要從單片機(jī)B讀取信息，單片機(jī)A同樣作為主控器在I2C總線上發(fā)送起始信號(hào)和時(shí)鐘，尋址作為被控器的單片機(jī)B，并確立信息傳送方向。此時(shí)，單片機(jī)A作為主控接收器接收單片機(jī)B發(fā)送的信息，一旦作為主控接收器的單片機(jī)A接收完單片機(jī)B發(fā)來(lái)的信息后就發(fā)出終止信號(hào)，以結(jié)束整個(gè)信息的讀取過(guò)程。1/14/202339上述分析表明：不論作為主控器的單片機(jī)A向作為被控器的單片機(jī)B是發(fā)送信息還是讀取信息，被傳信息的起始和終止信號(hào)以及時(shí)鐘信號(hào)都是由作為主控器的單片機(jī)A發(fā)送的。1/14/2023402I2C總線的應(yīng)用I2C總線為同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線，用于單片機(jī)的外圍擴(kuò)展。其總線傳輸速率為100kb/s（改進(jìn)后的規(guī)范為400kb/s），總線驅(qū)動(dòng)能力為400pF。圖8-10為I2C總線外圍擴(kuò)展示意圖。1/14/202341圖8-10I2C總線外圍擴(kuò)展示意圖1/14/202342圖中只表示出單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的I2C總線外圍通用器件、外圍設(shè)備模塊、接口以及其他單片機(jī)節(jié)點(diǎn)。最常使用的通用外圍器件有SRAM、E2PROM、ADC/DAC、RTC、I/O口和DTMF等。1/14/202343外圍設(shè)備模塊有LED驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的LED顯示器，各種LCD驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的段式、圖形點(diǎn)陣、字符點(diǎn)陣液晶顯示器等。通過(guò)I2C總線通用I/O口器件可構(gòu)成許多通用接口如鍵盤(pán)、碼盤(pán)、打印機(jī)接口和LCD接口等。1/14/202344I2C總線有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，省去了電路板上的大量連線，提高了可靠性，降低了成本。在多種串行總線中，I2C總線只用兩條線，不需要片選線，支持帶電插拔，并有眾多的外圍接口芯片，可以作為優(yōu)先選擇。1/14/202345I2C總線上支持多主和主從兩種工作方式。在多主方式中，通過(guò)硬件和軟件的仲裁主控制器取得總線控制權(quán)。而在多數(shù)情況下，系統(tǒng)中只有一個(gè)主器件，即單主節(jié)點(diǎn)，總線上的其他器件都是具有I2C總線的外圍從器件，這時(shí)的I2C總線就工作在主從工作方式。1/14/202346在主從方式中，從器件的地址包括器件編號(hào)地址和引腳地址，器件編寫(xiě)地址由I2C總線委員會(huì)分配，引腳地址決定于引腳外接電平的高低。當(dāng)器件內(nèi)部有連續(xù)的子地址空間時(shí)，對(duì)這些空間進(jìn)行N個(gè)字節(jié)的連續(xù)讀/寫(xiě)，子地址會(huì)自動(dòng)加1。在主從方式的I2C總線系統(tǒng)中，只須考慮主方式的I2C總線操作。1/14/2023473.I2C總線基本知識(shí)1）I2C總線的接口電路結(jié)構(gòu)I2C總線由一根數(shù)據(jù)線SDA和一根時(shí)鐘線SCL構(gòu)成。I2C總線中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)電路器件都可視為有如圖8-11虛框所示的一個(gè)I2C總線接口電路，用于與I2C總線的SDA和SCL線掛接。數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL都是雙向傳輸線，平時(shí)均處于高電平備用狀態(tài)，只有當(dāng)需要關(guān)閉I2C總線時(shí)，SCL線才會(huì)箝位在低電平。1/14/202348圖8-11I2C總線的器件連接1/14/2023492）I2C總線信號(hào)定義在I2C總線上，SDA用于傳送有效數(shù)據(jù)，其上傳輸?shù)拿课挥行?shù)據(jù)均對(duì)應(yīng)于SCL線上的一個(gè)時(shí)鐘脈沖。也就是說(shuō)，只有當(dāng)SCL線上為高電平（SCL=1）時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)信號(hào)才會(huì)有效（高電平表示1，低電平表示0）；SCL線為低電平（SCL=0）時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)信號(hào)無(wú)效。因此，只有當(dāng)SCL線為低電平（SCL=0）時(shí)，SDA線上的電平狀態(tài)才允許發(fā)生變化（見(jiàn)圖8-12)。1/14/202350圖8-12I2C總線信號(hào)的時(shí)序1/14/202351SDA線上傳送的數(shù)據(jù)均以起始信號(hào)（START）開(kāi)始，停止信號(hào)（STOP）結(jié)束，SCL線在不傳送數(shù)據(jù)時(shí)保持Mark(SCL=1）。當(dāng)串行時(shí)鐘線SCL為Mark（SCL=1）時(shí)，串行數(shù)據(jù)線SDA上發(fā)生一個(gè)由高到低的變化過(guò)程（下降沿），即為起始信號(hào)；發(fā)生一個(gè)由低到高的變化過(guò)程，即稱為停止信號(hào)。1/14/202352起始信號(hào)和停止信號(hào)均由作為主控器的單片機(jī)發(fā)出，并由掛接在I2C總線上的被控器檢測(cè)。對(duì)于不具備I2C總線接口的單片機(jī)，為了能準(zhǔn)確檢測(cè)到這些信號(hào)，必須保證在總線的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)SAD線進(jìn)行至少兩次采樣。1/14/2023534.I2C總線的數(shù)據(jù)傳送在I2C總線上每傳輸一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)。注意這里的時(shí)鐘脈沖不像一般的時(shí)鐘那樣必須是周期性的，它的時(shí)鐘間隔可以不同。總線備用時(shí)（即處于“非忙”狀態(tài)），SDA和SCL都必須保持高電平狀態(tài)，關(guān)閉I2C總線時(shí)才使SCL箝位在低電平。只有當(dāng)總線處于“非忙”狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸才能被初始化。在數(shù)據(jù)傳輸期間，只要時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線就必須保持穩(wěn)定。只有在時(shí)鐘線為低電平時(shí)，才允許數(shù)據(jù)線上的電平狀態(tài)變化。在時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)下降沿為啟動(dòng)信號(hào)、上升沿為停止信號(hào)，啟動(dòng)和停止信號(hào)都由主機(jī)產(chǎn)生，總線上帶有I2C總線接口的器件很容易檢測(cè)到這些信號(hào)。1/14/202354I2C總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和地址字節(jié)均為8位，且高位在前，低位在后。I2C總線以起始信號(hào)為啟動(dòng)信號(hào)，接著傳輸?shù)氖堑刂泛蛿?shù)據(jù)字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)是沒(méi)有限制的，但每個(gè)字節(jié)后都必須跟隨一個(gè)應(yīng)答位，全部數(shù)據(jù)傳輸完畢后，以終止信號(hào)結(jié)尾。I2C總線上數(shù)據(jù)的傳送時(shí)序如圖8-13所示。1/14/202355圖8-13I2C總線的數(shù)據(jù)傳送字節(jié)格式1/14/202356如前所述，SCL線為低電平時(shí)，SDA線上數(shù)據(jù)就被停止傳送。SCL線的這一線“與”特性十分有用：當(dāng)接收器接收到一個(gè)數(shù)據(jù)/地址字節(jié)后需要進(jìn)行其他工作而無(wú)法立即接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，接收器便可向SCL線輸出低電平而箝住SCL（SCL=0），迫使SDA線處于等待狀態(tài)，直到接收器準(zhǔn)備好接收新的數(shù)據(jù)/地址字節(jié)時(shí)，再釋放時(shí)鐘線SCL（SCL）=1），使SDA線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡岳^續(xù)進(jìn)行。例如，當(dāng)被控接收器在A點(diǎn)（見(jiàn)圖8-13）接收完主控器發(fā)來(lái)的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，若被控器需要處理接收中斷而無(wú)法令其接收器繼續(xù)接收，則被控器便可箝住SCL線為低電平，使主控發(fā)送器處于等待狀態(tài)，直到被控器處理完接收中斷后，再釋放SCL線。1/14/202357利用SDA線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)送器每發(fā)完一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，都要求接收方發(fā)回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。但與應(yīng)答信號(hào)相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘仍由主控器在SCL線上產(chǎn)生，因此主控發(fā)送器必須在被控接收器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)前，預(yù)先釋放對(duì)SDA線的控制，以便主控器對(duì)SDA線上應(yīng)答信號(hào)的檢測(cè)。1/14/202358應(yīng)答信號(hào)在第9個(gè)時(shí)鐘位上出現(xiàn)，接收器在SDA線上輸出低電平為應(yīng)答信號(hào)（A），輸出高電平為非應(yīng)答信號(hào)（A）。時(shí)鐘信號(hào)以及應(yīng)答和非應(yīng)答信號(hào)間的關(guān)系如圖8-14所示。圖8-14I2C總線的應(yīng)答位1/14/202359在主控器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，被控器接收完一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后都要向主控器發(fā)回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（A），主控器據(jù)此便可進(jìn)行下一字節(jié)的發(fā)送。但如果被控器由于某種原因需要進(jìn)行其他處理而無(wú)法繼續(xù)接收SDA線上數(shù)據(jù)時(shí)，便可向SDA線輸出一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)（A），使SDA線保持高電平，主控器據(jù)此便可產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)來(lái)終止SDA線上的數(shù)據(jù)傳輸。1/14/202360當(dāng)主控器作為接收器接收被控器送來(lái)的最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，必須給被控器發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)（A），令被控器釋放SDA線，以便主控器可以發(fā)送停止信號(hào)來(lái)結(jié)束數(shù)據(jù)的傳輸。I2C總線上的應(yīng)答信號(hào)是比較重要的，在編制程序時(shí)應(yīng)該著重考慮。1/14/2023615I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議1）總線節(jié)點(diǎn)的尋址字節(jié)主機(jī)產(chǎn)生起始條件后，發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)為尋址字節(jié)。該字節(jié)的頭7位（高7位）為從機(jī)地址，最后位（LSB）決定了報(bào)文的方向：0表示主機(jī)寫(xiě)信息到從機(jī)，1表示主機(jī)讀從機(jī)中的信息。當(dāng)發(fā)送了一個(gè)地址后，系統(tǒng)中的每個(gè)器件都將頭7位與它自己的地址比較。如果一樣，器件會(huì)應(yīng)答主機(jī)的尋址，至于是從機(jī)接收器還是從機(jī)發(fā)送器由R/W位決定。1/14/202362從機(jī)地址由一個(gè)固定的和一個(gè)可編程的部分構(gòu)成。例如，某些器件有4個(gè)固定的位（高4位）和3個(gè)可編程的地址位（低3位），那么同一總線上共可以連接8個(gè)相同的器件。I2C總線委員會(huì)協(xié)調(diào)I2C地址的分配，保留了2組8位地址(0000×××和1111×××），這2組地址的用途可查閱有關(guān)資料。1/14/202363掛接到總線上的所有外圍器件、外設(shè)接口都是總線上的節(jié)點(diǎn)。在任何時(shí)刻總線上只有一個(gè)主控器件（主節(jié)點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)總線的控制操作，對(duì)總線上的其他節(jié)點(diǎn)尋址，分時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。因此，總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)地址。1/14/202364I2C總線上的單片機(jī)都可以成為主節(jié)點(diǎn)，其器件地址由軟件給定，存放在I2C總線的地址寄存器中，稱為主器件的從地址。在I2C總線的多主系統(tǒng)中，單片機(jī)作為從節(jié)點(diǎn)時(shí)，其從地址才有意義。I2C總線上所有的外圍器件都有規(guī)范的器件地址。器件地址由7位組成，它和1位方向位構(gòu)成了I2C總線器件的尋址字節(jié)SLA。1/14/202365主機(jī)產(chǎn)生起始信號(hào)后的第一個(gè)尋址字節(jié)格式如下：D7D0SLADA3DA2DA1DA0A2A1A0R/W

從機(jī)地址1/14/202366其各位含義如下：器件地址（DA3、DA2、DA1和DA0）：是I2C總線外圍接口器件固有的地址編碼，器件出廠時(shí)，就已給定。例如，I2C總線E2PROMAT24C××的器件地址為1010，4位LED驅(qū)動(dòng)器SAA1064的器件地址為0111。引腳地址（A2、A1和A0）：是由I2C總線外圍器件地址端口A2、A1和A0在電路中接電源或接地的不同而形成的地址數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)方向（R/W）：規(guī)定了總線上主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送方向，R——接收，——發(fā)送。表8-1列出了一些常用外圍器件的節(jié)點(diǎn)地址和尋址字節(jié)。1/14/202367表8-1常用I2C接口通用器件的種類(lèi)、型號(hào)和尋址字節(jié)1/14/2023682)I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷絀2C總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)必須遵循規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸格式，圖815示出了I2C總線一次完整的數(shù)據(jù)傳輸格式。圖8－15I2C總線一次完整的數(shù)據(jù)傳輸格式1/14/202369在圖8－15中，起始信號(hào)表明一次數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始，其后為被控器的地址字節(jié)，高位在前，低位在后，第8位為R/W方向位。方向位R/W表明主控器和被控器間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。若R/W=0，表明數(shù)據(jù)由主控器按地址字節(jié)寫(xiě)入被控器；若R/W=1，表明數(shù)據(jù)從由地址字節(jié)決定的被控器讀入主控器。方向位后面是被控器發(fā)出的應(yīng)答位ACK。地址字節(jié)傳輸完后是數(shù)據(jù)字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)仍是高位在前，低位在后，然后是應(yīng)答位。1/14/202370若有多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)需要傳送，則每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的格式相同。數(shù)據(jù)字節(jié)傳送完后，被控接收器發(fā)回一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)（高電平有效），主控器據(jù)此發(fā)送停止信號(hào)，以結(jié)束這次數(shù)據(jù)的傳輸。但是，如果主機(jī)仍希望在總線上通信，它可以產(chǎn)生重復(fù)的起始信號(hào)（Sr）和尋址另一個(gè)從機(jī)，而不是首先產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)?？偩€上數(shù)據(jù)傳輸有多種組合方式，現(xiàn)以圖解方式分別介紹如下3類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸格式。1/14/202371（1）主控器的寫(xiě)數(shù)據(jù)操作格式主控器產(chǎn)生起始信號(hào)后，發(fā)送一個(gè)尋址字節(jié)，收到應(yīng)答后跟著就是數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生停止信號(hào)后，數(shù)據(jù)傳輸停止。主機(jī)向被尋址的從機(jī)寫(xiě)入n個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。整個(gè)過(guò)程均為主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收，先發(fā)數(shù)據(jù)高位，再發(fā)低位，應(yīng)答位ACK由從機(jī)發(fā)送。主控器向被控器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的方向位（R/W=0）是不會(huì)改變的。傳輸n字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如下：1/14/202372具體內(nèi)容為：其中：為主控器發(fā)送，被控器接收；為被控器發(fā)送，主控器接收；A為應(yīng)答信號(hào)，為非應(yīng)答信號(hào)；S為起始信號(hào)，P為停止信號(hào)；SLA為尋址字節(jié)（寫(xiě)）；data1～datan為被傳輸?shù)膎個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。1/14/202373（2）主控器的讀數(shù)據(jù)操作格式主機(jī)從被尋址的從機(jī)讀出n個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。在傳輸過(guò)程中，除了尋址字節(jié)為主機(jī)發(fā)送、從機(jī)接收外，其余的n字節(jié)均為從機(jī)發(fā)送，主機(jī)接收。主機(jī)接收完數(shù)據(jù)后，應(yīng)發(fā)非應(yīng)答位，向從機(jī)表明讀操作結(jié)束。1/14/202374主控器從被控器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛭籖/W=1。主控器從被控器讀取n字節(jié)的數(shù)據(jù)格式為：1/14/202375具體內(nèi)容為：其中：SLAR為尋址字節(jié)（讀），其余與前述相同。注意：主控器在發(fā)送停止信號(hào)前，應(yīng)先給被控器發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，向被控器表明讀操作結(jié)束。1/14/2023763）主控器的讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)操作格式讀/寫(xiě)操作時(shí)，在一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中需要改變數(shù)據(jù)的傳送方向，即主機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)為讀操作，在另一段時(shí)間內(nèi)為寫(xiě)操作。由于讀/寫(xiě)方向有變化，起始信號(hào)和尋址字節(jié)都會(huì)重復(fù)一次，但讀/寫(xiě)方向（R/W）相反。例如，由單片機(jī)主機(jī)讀取存儲(chǔ)器從機(jī)中某存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，就需要主機(jī)先向從機(jī)寫(xiě)入該存儲(chǔ)單元的地址，再發(fā)一個(gè)啟動(dòng)位，進(jìn)行讀操作。1/14/202377主控器向被控器先讀后寫(xiě)的數(shù)據(jù)格式如下：1/14/202378具體內(nèi)容為：其中：Sr為重復(fù)起始信號(hào)；data1～datan為主控器的讀數(shù)據(jù)；DATA1～DATAn為主控器的寫(xiě)數(shù)據(jù)；其余與前述相同。1/14/202379通過(guò)上述分析，可以得出如下結(jié)論：無(wú)論總線處于何種方式，起始信號(hào)、終止信號(hào)和尋址字節(jié)均由主控器發(fā)送和被控器接收。尋址字節(jié)中，7位地址是指器件地址，即被尋址的被控器的固有地址，R/W方向位用于指定SDA線上數(shù)據(jù)傳送的方向。R/W=0為主控器寫(xiě)和被控器收，R/W=1為主控器讀（收）和被控器發(fā)。每個(gè)器件（主控器或被控器）內(nèi)部都有一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，RAM的地址是連續(xù)的，并能自動(dòng)加/減1。n個(gè)被傳送數(shù)據(jù)的RAM地址可由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者規(guī)定，通常作為數(shù)據(jù)放在上述數(shù)據(jù)傳輸格式中，即第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)data1或DATA1?？偩€上傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答或非應(yīng)答信號(hào)A/A。1/14/202380651單片機(jī)與I2C總線的接口1）單片機(jī)與I2C總線的硬件連接用不帶I2C接口的51單片機(jī)控制I2C總線時(shí)，硬件也非常簡(jiǎn)單，只需兩個(gè)I/O口線，在軟件中分別定義成SCL和SDA，與I2C總線的SCL和SDA直接相連，再加上上拉電阻即可。以51系列單片機(jī)為例，可以用P1.6和P1.7直接與SCL和SDA相連，硬件接口如圖8－16所示。圖8－16模擬I2C總線1/14/2023812)51單片機(jī)對(duì)I2C總線的控制程序這里以51系列單片機(jī)為例，介紹如何根據(jù)I2C總線的工作原理用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序。1/14/202382首先，應(yīng)根據(jù)I2C總線對(duì)SDA和SCL在各個(gè)時(shí)段的時(shí)序要求寫(xiě)出起始、停止、送應(yīng)答位、送非應(yīng)答位、檢查應(yīng)答位以及發(fā)送一字節(jié)、接收一字節(jié)的子程序，具體代碼可參見(jiàn)《電子世界》網(wǎng)站（）上的匯編源程序，該程序中設(shè)置“I2C_ERROR”為出錯(cuò)標(biāo)志。若在程序中適當(dāng)增加NOP指令的條數(shù)，可以提高I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/14/202383注意在使用這些程序前，先要確定從機(jī)的地址和從機(jī)中要操作的內(nèi)部單元的地址。程序中用“DeviceaddressW”表示從機(jī)的7位地址加上寫(xiě)標(biāo)志0，“DeviceaddressR”表示從機(jī)的7位地址加上讀標(biāo)志1，“Subaddress”表示內(nèi)部單元的8位地址，“DATA_I2C”表示操作數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)的存放地址。這些程序可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的I2C總線操作，用戶也可以根據(jù)具體要求再附加相應(yīng)的程序。1/14/2023847I2C總線數(shù)據(jù)傳送軟件包我們知道89C51單片機(jī)中具有I2C總線接口的畢竟是少數(shù)。如果是不帶I2C總線的單片機(jī)，則不必?cái)U(kuò)展I2C總線接口，只須通過(guò)軟件模擬，這無(wú)疑會(huì)給I2C總線的應(yīng)用提供更廣泛的空間。通常大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中只有一個(gè)CPU，這種單主系統(tǒng)如果采用I2C總線技術(shù)，則總線上只有單片機(jī)對(duì)I2C總線從器件的訪問(wèn)，沒(méi)有總線的競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題，這種情況下只需要模擬主發(fā)送和主接收時(shí)序?；谏鲜隹紤]，這里提供了這種使用情況下的時(shí)序模擬軟件，使I2C總線的使用不受單片機(jī)必須帶有I2C總線接口的限制。1/14/202385本教程在模擬主方式下的I2C總線時(shí)序時(shí)，選用如圖8－16所示P1.6和P1.7作為時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA，晶振采用6MHz。這里提供一個(gè)軟件包，包括啟動(dòng)（STA），停止（STOP），發(fā)送應(yīng)答位（MACK），發(fā)送非應(yīng)答位（MNACK），應(yīng)答位檢查（CACK），發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)（WRBYT），接收一字節(jié)數(shù)據(jù)（RDBYT），發(fā)送N字節(jié)數(shù)據(jù)和接收N字節(jié)數(shù)據(jù)（RDNBYT）9個(gè)子程序。1/14/2023861)I2C總線典型信號(hào)時(shí)序及信號(hào)模擬子程序I2C總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)，有起始位（S）、終止位（P）、發(fā)送0代表應(yīng)答位（A）、發(fā)送1代表非應(yīng)答位（A）等信號(hào)。按照典型I2C總線傳送速率的要求，這些信號(hào)、時(shí)序如圖8－17(a)、（b）、（c)和（d）所示。1/14/202387圖8－17I2C總線數(shù)據(jù)傳送典型信號(hào)時(shí)序1/14/202388圖817I2C總線數(shù)據(jù)傳送典型信號(hào)時(shí)序?qū)τ贗2C總線的典型信號(hào)，可以用指令操作來(lái)模擬其時(shí)序過(guò)程。若89C51單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘為6MHz，相應(yīng)的單周期指令的周期為2μs，則起始（STA）、終止（STOP）、發(fā)送應(yīng)答位（MACK）、發(fā)送非應(yīng)答位（MNACK）的4個(gè)模擬子程序如下：1/14/2023891）啟動(dòng)I2C總線子程序STASTA：SETB SDASETB SCL；起始條件建立時(shí)間大于4.7μsNOPNOPCLR SDANOP ；起始條件鎖定時(shí)間大于4μsNOPCLR SCL；箝住總線，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)RET1/14/202390(2)停止I2C總線子程序STOPSTOP：CLR SDASETB SCL；發(fā)送停止條件的時(shí)鐘信號(hào)NOP ；停止總線時(shí)間大于4μsNOPSETB SDA；停止總線NOPNOPCLR SDACLR SCLRET1/14/202391(3)發(fā)送應(yīng)答位信號(hào)子程序MACKMACK：CLR SDASETB SCLNOP ；保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間，即SCL為高，時(shí)間大于40μsNOPCLR SCLSETB SDARET1/14/202392(4)發(fā)送非應(yīng)答位信號(hào)子程序MNACKMNACK：SETB SDASETB SCLNOP ；保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間，即SCL為高，時(shí)間大于4.0μsNOPCLR SCLCLR SDARET在使用上述子程序時(shí)，如果單片機(jī)的主時(shí)鐘不是6MHz，則應(yīng)調(diào)整NOP指令個(gè)數(shù)，以滿足時(shí)序要求。1/14/2023932）I2C總線數(shù)據(jù)傳送的模擬子程序

從I2C總線的數(shù)據(jù)操作中可以看出，除了基本的啟動(dòng)（STA）、終止（STOP）、發(fā)送應(yīng)答位（MACK）、發(fā)送非應(yīng)答位（MNACK）外，還應(yīng)有應(yīng)答位檢查（CACK）、發(fā)送一字節(jié)（WRBYT）、接收一字節(jié)（RBYT）、發(fā)送N字節(jié)（WRNBYT）和接收N字節(jié)（RDNBYT）這5個(gè)子程序。1/14/202394（1）應(yīng)答位檢查子程序CACK在應(yīng)答位檢查子程序（CACK）中，設(shè)置了標(biāo)志位。CACK中用F0作標(biāo)志位，當(dāng)檢查到正常應(yīng)答位后，F(xiàn)0=0；否則F0=1。CACK： SETBSDA；置SDA為輸入方式 SETBSCL；使SDA上數(shù)據(jù)有效 CLRF0；預(yù)設(shè)F0=0 MOV C，SDA；輸入SDA引腳狀態(tài) JNCCEND；檢查SDA狀態(tài)，正常應(yīng)答轉(zhuǎn)CEND，且F0=0 SETBF0；無(wú)正常應(yīng)答，F(xiàn)0=1CEND： CLRSCL；子程序結(jié)束，使SCL=0 RET1/14/202395(2)發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)子程序WRBYT該子程序是向虛擬I2C總線的數(shù)據(jù)線SDA上發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)的操作。調(diào)用該子程序前，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入A中。占用資源：R0，C。WRBYT：MOV R0，#08H；8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度送R0中WLP： RLCA；發(fā)送數(shù)據(jù)左移，使發(fā)送位入C JC WR1；判斷發(fā)送1還是0，發(fā)送1轉(zhuǎn)WR1 AJMP WR0；發(fā)送0轉(zhuǎn)WR0WLP1： DJNZ R0，WLP；8位是否發(fā)送完，未完轉(zhuǎn)WLP RET；8位發(fā)送完結(jié)束WR1： SETB SDA；發(fā)送1程序段 SETB SCL NOP NOP CLR SCL CLRS DA AJMP WLP1WR0： CLR SDA；發(fā)送0程序段 SETB SCL NOP NOP CLR SCL AJMP WLP11/14/202396（3）從SDA上接收一字節(jié)數(shù)據(jù)子程序RDBYT該子程序用來(lái)從SDA上讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)，執(zhí)行本程序后，從SDA上讀取的一字節(jié)存放在R2或A中。占用資源：R0、R2和C。RDBYT： MOV R0，#08H；8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度送R0中RLP： SETB SDA；置SDA為輸入方式 SETB SCL；使SDA上數(shù)據(jù)有效 MOV C，SDA；讀入SDA引腳狀態(tài) MOV A，R2；讀入0程序段，由C拼裝入R2中 RLCA MOV R2，A CLR SCL；使SCL=0可繼續(xù)接收數(shù)據(jù)位 DJNZ R0，RLP；8位讀完了嗎？未讀完轉(zhuǎn)RLP RET1/14/202397（4）向被控器發(fā)送N字節(jié)數(shù)據(jù)子程序WRNBYT在I2C總線數(shù)據(jù)傳送中，主節(jié)點(diǎn)常常需要連續(xù)地向外圍器件發(fā)送多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，本子程序是用來(lái)向SDA線上發(fā)送N字節(jié)數(shù)據(jù)的操作。該子程序的編寫(xiě)必須按照I2C總線規(guī)定的讀/寫(xiě)操作格式進(jìn)行。如主控器向I2C總線上某個(gè)外圍器件連續(xù)發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，其數(shù)據(jù)操作格式如下：其中，SLAW為外圍器件尋址字節(jié)（寫(xiě)）。1/14/202398按照上述操作格式所編寫(xiě)的發(fā)送N字節(jié)的通用子程序（WRNBYT）清單如下：

WRNBYT： MOV R3，NUMBYT LCALL STA；啟動(dòng)I2C總線 MOV A，SLA；發(fā)送SLAW字節(jié) LCALL WRBYT LCALL CACK；檢查應(yīng)答位 JB F0，WRNBYT；非應(yīng)答位則重發(fā) MOV R1，#MTDWRDA： MOV A，@R1 LCALL WRBYT LCALL CACK JB F0，WRNBYT INC R1 DJNZ R3，WRDA LCALL STOP RET1/14/202399在使用本子程序時(shí)，占用資源為R1和R3，但須調(diào)用STA、STOP、WRBYT和CACK子程序，而且使用了一些符號(hào)單元。在使用這些符號(hào)單元時(shí)，應(yīng)在片內(nèi)RAM中分配好這些地址。這些符號(hào)單元有：MTD主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址；SLA外圍器件尋址字節(jié)存放單元；NUMBYT發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)存放單元。1/14/2023100在調(diào)用本子程序之前，必須將要發(fā)送的N字節(jié)數(shù)據(jù)依次存放在以MTD為首地址的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。調(diào)用本子程序后，N字節(jié)數(shù)據(jù)依次傳送到外圍器件內(nèi)部相應(yīng)的地址單元中。1/14/2023101（5）從外圍器件讀取N字節(jié)數(shù)據(jù)子程序RDNBYT在I2C總線系統(tǒng)中，主控器按主接收方式從外圍器件中讀出N字節(jié)數(shù)據(jù)的操作格式如下：其中，A：非應(yīng)答位，主節(jié)點(diǎn)在接收完N字節(jié)后，必須發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答位；SLAR：外圍器件尋址字節(jié)（讀）。1/14/2023102按照上述操作格式所編寫(xiě)的通用N字節(jié)接收子程序（RDNBYT）清單如下：RDNBYT： MOV R3，NUMBYT LCALL STA；發(fā)送啟動(dòng)位 MOV A，SLA；發(fā)送尋址字節(jié)（讀） LCALL WRBYT LCALL CACK；檢查應(yīng)答位 JB F0，RDNBYT；非正常應(yīng)答時(shí)重新開(kāi)始RDN： MOV R1，#MRD；接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址MRD入R1RDN1： LCALL RDBYT；讀入一字節(jié)到接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中 MOV @R1，A DJNZ R3，ACK；N字節(jié)讀完了嗎？未完轉(zhuǎn)ACK LCALL MNACK；N字節(jié)讀完發(fā)送非應(yīng)答位 LCALL STOP；發(fā)送停止信號(hào) RET；子程序結(jié)束ACK： LCALL MACK；發(fā)送應(yīng)答位 INC R1；指向下一個(gè)接收數(shù)據(jù)緩沖單元 SJMP RDN1；轉(zhuǎn)讀入下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)1/14/2023103在使用RDNBYT子程序時(shí)，占用資源R1和R3，但須調(diào)用STA、STOP、WRBYT、RDBYT、CACK、MACK和MNACK等子程序并滿足這些子程序的調(diào)用要求。RDNBYT子程序中使用了一些符號(hào)單元，除了在WRNDYT子程序中使用過(guò)的SLA、MTD和NUMBYT外，還有以下幾個(gè)：SLA器件尋址（讀）存放單元；MRD主節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)首址；在調(diào)用RDNBYT子程序后，從節(jié)點(diǎn)中所指定首地址中的N字節(jié)數(shù)據(jù)將被讀入主節(jié)點(diǎn)片內(nèi)以MRD為首址的數(shù)據(jù)緩沖器中。1/14/20231043)主程序在主程序初始化中，應(yīng)有如下的語(yǔ)句： SDA BIT P17 SCL BIT P16 MTD EQU 30H；MTD：發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址 MRD EQU 40H；MRD：接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址 SLA EQU 60H；SLA：尋址字節(jié)SLAR/W的存放單元NUMBYT EQU 61H；NUMBYT：傳送字節(jié)數(shù)存放單元1/14/20231058.1.3單總線單總線（1－Wire）是Dallas公司推出的外圍串行擴(kuò)展總線。單總線只有一根數(shù)據(jù)輸入/輸出線，可由單片機(jī)或PC機(jī)的1根I/O口線作為數(shù)據(jù)輸入/輸出線，所有的器件都掛在這根線上。例如，圖8－18表示一個(gè)由單總線構(gòu)成的分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。許多帶有單總線接口的數(shù)字溫度計(jì)集成電路DS18S20都掛接在1根I/O口線上，單片機(jī)對(duì)每個(gè)DS18S20通過(guò)總線DQ尋址。DQ為漏極開(kāi)路，須加上拉電阻RP。此外還有1線熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)及其他單總線系統(tǒng)。Dallas公司為單總線的尋址及數(shù)據(jù)傳送提供了嚴(yán)格的時(shí)序規(guī)范。1/14/2023106圖8－18單總線構(gòu)成的分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1/14/20231071DS18S20單總線測(cè)溫系統(tǒng)DS18S20是美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器。它可以把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，特別適合構(gòu)成多點(diǎn)溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)。由于每片DS18S20都含有惟一的產(chǎn)品號(hào)，所以從理論上來(lái)說(shuō)，在一條總線上可以掛接任意多個(gè)DS18S20芯片。從DS18S20讀出或?qū)懭胄畔H需一根口線（單線接口）。讀/寫(xiě)及溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18S20供電，而無(wú)需額外電源。DS18S20提供9位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。1/14/20231081)DS18S20的特性及引腳單線接口，僅需一根口線與MCU相連，無(wú)需外圍元件；由數(shù)據(jù)線提供電源；測(cè)溫范圍為-55～125℃，精度為05℃（-10～85℃范圍內(nèi)）；9位溫度讀數(shù)；溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為750ms；用戶可自設(shè)定溫度報(bào)警上下限，其值是非易失性的；報(bào)警搜索命令可識(shí)別哪片DS18S20超溫度界限。DS18S20采用3腳PR35封裝（或8腳SOIC封裝），引腳排列如圖819所示。圖中GND為地，DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出腳（單線接口，可作寄生供電），VDD為電源電壓。圖8－19DS18S20的引腳排列1/14/20231092)DS18S20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18S20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8－20所示。DS18S20主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM）、用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值TH和TL的觸發(fā)器、存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器8部分。DS18S20既可以采用寄生供電，也可以采用外部5V電源供電。寄生供電時(shí)，當(dāng)總線上是高電平時(shí)，DS18S20從總線上獲得能量并儲(chǔ)存在內(nèi)部電容上。當(dāng)總線上是低電平時(shí)，由電容向DS18S20供電。1/14/2023110圖8－20DS18S20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1/14/2023111DS18S20的測(cè)溫原理是：內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)一個(gè)受溫度影響的振蕩器計(jì)數(shù)。溫度表示值應(yīng)為9位，高位為符號(hào)位，但因符號(hào)位擴(kuò)展成高8位，故以16位補(bǔ)碼形式讀出，溫度與數(shù)字量的關(guān)系如表8－2所列。1/14/20231123）溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)電路系統(tǒng)如圖8－21所示，采用寄生電源供電方式。圖8－21DS18S20溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)1/14/2023113為保證在有效的DS18S20周期內(nèi)提供足夠的電流，用一個(gè)MOSFET管和89C51的一個(gè)I/O口線（P1.0）來(lái)完成對(duì)DS18S20總線的上拉。采用寄生電源供電時(shí)，VDD必須接地。在此系統(tǒng)中采用89C51的P1.1口作發(fā)送口Tx，P1.2口作接收口Rx。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種方法可接數(shù)十片DS18S20，距離可達(dá)50m；而用1根口線（如圖821所示）時(shí)，僅能掛接10片DS18S20，距離僅為20m以內(nèi)，同時(shí)由于讀/寫(xiě)在操作上是分開(kāi)的，故不存在信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。1/14/20231144）工作過(guò)程89C51首先發(fā)復(fù)位DS18S20的負(fù)脈沖，接著收DS18S20的回應(yīng)脈沖，這時(shí)89C51再發(fā)ROM命令（33H），最后發(fā)存儲(chǔ)和控制命令。1/14/2023115（1）DS18S20ROM命令主機(jī)操作ROM的命令有5種，如表8－3所列。64位激光ROM的結(jié)構(gòu)如下：開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型編號(hào)（DS18S20為10H）；接著是每個(gè)器件的惟一序號(hào)，共有48位；最后8位是前56位的CRC校驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18S20可以采用一線的原因。1/14/20231161/14/2023117（2）DS18S20存儲(chǔ)控制命令DS18S20存儲(chǔ)控制命令共有6種，如表8－4所列。DS18S20的存儲(chǔ)器由便箋式RAM和非易失性電擦寫(xiě)EERAM組成，后者用于存儲(chǔ)TH和TL值。數(shù)據(jù)先寫(xiě)入RAM，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給EERAM。便箋式RAM占9字節(jié)，包括溫度信息（第1、2字節(jié)）、TH、TL值（第3、4字節(jié)）、計(jì)數(shù)寄存器（第7、8字節(jié)）、CRC（第9字節(jié)）等，第5、6字節(jié)不用。1/14/2023118（3）DS18S20的執(zhí)行序列①初始化（發(fā)一個(gè)不少于480μs的低脈沖）；②執(zhí)行ROM命令，主要用于定位；③執(zhí)行DS18S20的存儲(chǔ)控制命令，用于轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)；④DS18S20的I/O信號(hào)有復(fù)位脈沖、回應(yīng)脈沖、寫(xiě)0、讀0、寫(xiě)1和讀1等幾種。除回應(yīng)脈沖由DS18S20發(fā)出外，其余都由主機(jī)發(fā)出。1/14/2023119程序框圖如圖822所示。圖8－22程序框圖1/14/202312021線（1－Wire）熱電偶測(cè)高溫1線熱電偶測(cè)量溫度是將傳統(tǒng)的熱電偶與一款新推出的多功能芯片DS2760結(jié)合起來(lái)，組成一種可直接將冷結(jié)溫度信號(hào)數(shù)字化的變送器。該變送器可以通過(guò)單條雙絞線與PC機(jī)（或微控制器）主機(jī)通信。其顯著的優(yōu)勢(shì)之一是，每一個(gè)變送器都可賦予單獨(dú)的64位地址，這大大方便了總線主機(jī)的識(shí)別和選通。采用這種獨(dú)特的地址識(shí)別之后，多個(gè)傳感器可以形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，由軟件自動(dòng)識(shí)別和處理來(lái)自特定傳感器的數(shù)據(jù)。與熱電偶有關(guān)的信息可以由多功能芯片本身存儲(chǔ)，不過(guò)這種獨(dú)特的識(shí)別方法還可以讓參考數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在總線主機(jī)中。1/14/20231211）熱電偶技術(shù)目前列為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶金屬組合不多，較普遍的是K型和E型兩種。E型熱電偶組合是Ni/Cr合金與康銅（Cu/Ni合金），可以獲得最高的電壓系數(shù)（62μV/℃@20℃），在900℃時(shí)輸出幾乎可以達(dá)到80mV。K型熱電偶Seebeck電壓系數(shù)較低(51μV/℃@20℃），但在0～1000℃范圍內(nèi)的線性度明顯要好得多。1/14/2023122熱電偶的引出端構(gòu)成了第二個(gè)熱電偶。例如，使用銅制引線時(shí)，會(huì)形成與測(cè)量所用的結(jié)（或者叫“熱”結(jié)）串連的鎳鉻/銅結(jié)。以往為了修正這些“冷”結(jié)帶來(lái)的影響，人們總是把它們放入處于三相點(diǎn)（0.01℃）的冰水中。大多數(shù)現(xiàn)代儀器則通過(guò)電路方法修正——先測(cè)量出冷結(jié)處的溫度，再將處于這一溫度下的電偶產(chǎn)生的電壓偏差從實(shí)際讀數(shù)中減去。1/14/2023123典型的現(xiàn)代電子式熱電偶由若干基本單元構(gòu)成，包括：一個(gè)熱電偶、一個(gè)用于測(cè)量熱電偶和引線接頭處溫度的傳感器、信號(hào)調(diào)理單元和A/D轉(zhuǎn)換器（圖8－23）。圖8－23典型的電路補(bǔ)償式熱電偶的組成框圖1/14/2023124熱電偶一般要接到一個(gè)精密低噪聲或儀表放大器上，該放大器提供所需的放大增益、偏置和阻抗匹配。熱電偶輸出信號(hào)放大后送到ADC中，變換為數(shù)字信號(hào)，再送到微處理器或PC中。微處理器或PC利用來(lái)自ADC和冷結(jié)處的溫度傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算出熱電偶“熱結(jié)”處的實(shí)際溫度。1/14/20231252）DS2760芯片DS2760最初是為了監(jiān)測(cè)鋰電池組而推出的，但它卻可以用來(lái)把一個(gè)簡(jiǎn)單的熱電偶變成智能傳感器。該芯片可以直接把冷結(jié)和熱結(jié)間mV級(jí)的輸出差異直接數(shù)字化，片上的溫度傳感器則連續(xù)地監(jiān)測(cè)冷結(jié)處的溫度。獨(dú)特的ID地址可以標(biāo)明用單條雙絞線電纜連接的多個(gè)不同敏感單元。該芯片還有用戶可訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)與傳感器有關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)，如熱電偶的類(lèi)型、位置、啟用的日期等等。這樣，由于管理總線的主機(jī)可以利用所存儲(chǔ)的熱電偶類(lèi)型數(shù)據(jù)以及來(lái)自片上溫度傳感器的冷結(jié)溫度信號(hào)來(lái)決定所需的修正計(jì)算，因此它能與任何類(lèi)型的熱電偶一起使用。1/14/2023126DS2760包括一個(gè)10位電壓ADC輸入、13位溫度ADC和一個(gè)12位正號(hào)電流型ADC，為熱電偶應(yīng)用提供了完整的信號(hào)調(diào)理和數(shù)字化手段。片上的13位溫度傳感器用于冷結(jié)補(bǔ)償。CR1給傳感器供電。R1用于VDD的讀出，但如果不需要這項(xiàng)功能，也可以忽略。即使采用低輸出的K型熱電偶，轉(zhuǎn)換器可提供的分辨率仍優(yōu)于1℃。1/14/20231273）通過(guò)單條線測(cè)量熱電偶從圖8－24中可以看出，用DS2760可以簡(jiǎn)單和方便地把一個(gè)典型的熱電偶轉(zhuǎn)化成具備多點(diǎn)測(cè)量功能的智能傳感器。電路中，C1和一只肖特基二極管CR1構(gòu)成一個(gè)半波整流器，在總線（電壓為5V）空閑時(shí)為DS2760供電。圖8－24單線熱電偶的輸出1/14/2023128這實(shí)際上是1線式器件內(nèi)部所采用的寄生式供電方法，只是用分立方式來(lái)實(shí)現(xiàn)而已。余下的肖特基二極管接在DATA和GND兩腳之間，將負(fù)向信號(hào)偏移限制在-4.0V以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)。1/14/2023129如果沒(méi)有這個(gè)二極管，總線上大于0.6V的負(fù)向信號(hào)漂移可以使DS2760芯片襯底上的寄生二極管正向偏置，從而干擾其正常功能。在總線主機(jī)控制下，DS2760既監(jiān)測(cè)熱電偶熱結(jié)和冷結(jié)間的電壓，又用其內(nèi)部的溫度傳感器測(cè)量冷結(jié)溫度。主機(jī)利用這一信息計(jì)算出熱結(jié)處實(shí)際的溫度。如果添加電阻R1，就可以測(cè)量VDD。1/14/2023130圖8－24單線熱電偶的輸出1/14/2023131對(duì)故障查找來(lái)說(shuō)，這可以用于驗(yàn)證1線網(wǎng)絡(luò)（1－Wirenet）的電壓是否在可接受的范圍之內(nèi)。把熱電偶安裝到電路板上時(shí)，必須注意使之盡可能接近DS2760，以減小這些連接和DS2760封裝中的芯片的溫度差。1/14/20231328.2并行擴(kuò)展三總線的產(chǎn)生通常情況下，微機(jī)的CPU外部都有單獨(dú)的并行地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而89C51單片機(jī)由于受引腳的限制，數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，而且由Ｉ／Ｏ口線兼用。為了將它們分離出來(lái)，以便同單片機(jī)片外的芯片正確地連接，需要在單片機(jī)外部增加地址鎖存器，從而構(gòu)成與一般CPU相類(lèi)似的片外三總線，如圖8－25所示。采用74HC373作鎖存器的地址總線擴(kuò)展電路如圖8－26所示。1/14/2023133圖8－2589C51擴(kuò)展的并行三總線圖8－2689C51地址總線擴(kuò)展電路1/14/2023134由89C51P0口送出的低8位有效地址信號(hào)是在ALE(地址鎖存允許)信號(hào)變高的同時(shí)出現(xiàn)的，并在ALE由高變低時(shí)，將出現(xiàn)在P0口的地址信號(hào)鎖存到外部地址鎖存器74HC373中，直到下一次ALE變高時(shí)，地址才發(fā)生變化。1/14/20231358.2.1片外三總線結(jié)構(gòu)所謂總線，就是連接系統(tǒng)中各擴(kuò)展部件的一組公共信號(hào)線。按照功能，通常把系統(tǒng)總線分為3組，即地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。89C51單片機(jī)的片外引腳可構(gòu)成如圖825所示的并行三總線結(jié)構(gòu)，所有的外圍芯片都將通過(guò)這三種總線進(jìn)行擴(kuò)展。1/14/20231361.地址總線地址總線(AddressBus,AB)用于傳送單片機(jī)送出的地址信號(hào)，以便進(jìn)行存儲(chǔ)單元和Ｉ／Ｏ端口的選擇。地址總線是單向的，只能由單片機(jī)向外發(fā)送信息。地址總線的數(shù)目決定了可直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元的數(shù)目。例如，n位地址可以產(chǎn)生2ｎ個(gè)連續(xù)地址編碼，因此，可訪問(wèn)2ｎ個(gè)存儲(chǔ)單元，即通常所說(shuō)的尋址范圍為2ｎ個(gè)地址單元。89C51單片機(jī)存儲(chǔ)器擴(kuò)展最多可達(dá)64KB，即2１６個(gè)地址單元，因此，最多需16位地址。1/14/20231372.數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線(DataBus,DB)用于單片機(jī)與存儲(chǔ)器之間或單片機(jī)與Ｉ／Ｏ端口之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)與單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)一致。例如，89C51單片機(jī)是8位字長(zhǎng)，所以，數(shù)據(jù)總線的位數(shù)也是8位。數(shù)據(jù)總線是雙向的，可以進(jìn)行兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送。1/14/20231383.控制總線控制總線(ControlBus，CB)是單片機(jī)發(fā)出的以控制片外ROM、RAM和Ｉ／Ｏ口讀／寫(xiě)操作的一組控制線。1/14/20231398.2.2系統(tǒng)擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)1.以P0口作地址／數(shù)據(jù)總線此處的地址總線是指系統(tǒng)的低8位地址線。因?yàn)镻0口線既用作地址線，又用作數(shù)據(jù)線(分時(shí)使用)，因此，需要加一個(gè)8位鎖存器。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，先把低8位地址送鎖存器暫存，然后再由地址鎖存器給系統(tǒng)提供低8位地址，而把P0口線作為數(shù)據(jù)線使用。實(shí)際上，單片機(jī)P0口的電路設(shè)計(jì)已考慮了這種應(yīng)用需要，P0口線電路中的多路轉(zhuǎn)接電路MUX以及地址／數(shù)據(jù)控制即是為此目的而設(shè)計(jì)的。1/14/20231402.以P2口的口線作高位地址線如果使用P2口的全部8位口線，再加上P0口提供的低8位地址，便可形成完整的16位地址總線，使單片機(jī)系統(tǒng)的尋址范圍達(dá)到64KB。但實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，高位地址線并不固定為8位，需要用幾位就從P2口中引出幾條口線。1/14/2023141

除了地址線和數(shù)據(jù)線之外，在擴(kuò)展系統(tǒng)中還需要一些控制信號(hào)線，以構(gòu)成擴(kuò)展系統(tǒng)的控制總線。這些信號(hào)有的是單片機(jī)引腳的第一功能信號(hào)，有的則是第二功能信號(hào)。其中包括：使用ALE作為地址鎖存的選通信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)低8位地址的鎖存；以ＰＳＥＮ信號(hào)作為擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)；以ＥＡ信號(hào)作為內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器的選擇信號(hào)；以ＲＤ和ＷＲ作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和Ｉ／Ｏ端口的讀/寫(xiě)選通信號(hào)。執(zhí)行MOVX指令時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)分別自動(dòng)有效。1/14/2023142可以看出，盡管89C51單片機(jī)號(hào)稱有4個(gè)Ｉ／Ｏ口，共32條口線，但由于系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，真正能作為數(shù)據(jù)Ｉ／Ｏ使用的，就只剩下P1口和P3口的部分口線了。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，程序存儲(chǔ)器不應(yīng)再采用外擴(kuò)的方案。因?yàn)?9系列單片機(jī)內(nèi)有4～32KB的不同型號(hào)產(chǎn)品可供選擇。如果課題需要功能更強(qiáng)的MCU，則可選擇ADμC8××、C8051F×××和MAX7651等SOC芯片。關(guān)于程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，本教程不作介紹。1/14/20231438.3擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由于89C51單片機(jī)片內(nèi)RAM僅有128字節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)需要較大容量RAM時(shí)，就需要片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，最大可擴(kuò)展64KB。由于單片機(jī)是面向控制的，實(shí)際需要擴(kuò)展容量不大，因此，一般采用靜態(tài)RAM較方便，如6116(2K×8位)，6264(8K×8位)。如有特殊需要，可采用62256(32K×8位)，628128(128K×8位)等。與動(dòng)態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無(wú)須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故擴(kuò)展電路較簡(jiǎn)單；但由于靜態(tài)RAM是通過(guò)有源電路來(lái)保持存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，因此要消耗較多的功率，價(jià)格也較高。1/14/2023144擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間地址，由P2口提供高8位地址，P0口分時(shí)提供低8位地址和用作8位雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的讀/寫(xiě)由89C51的ＲＤ（Ｐ３.7）和ＷＲ(P3.6)信號(hào)控制。1/14/20231458.3.1常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算結(jié)果等，所以，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)能隨機(jī)讀／寫(xiě)，通常由半導(dǎo)體靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM組成。E２PROM芯片也可用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，且掉電后信息不丟失。1/14/20231461.靜態(tài)RAM(SRAM)芯片目前常用的靜態(tài)RAM電路有6116、6264、62256、628128等。它們的引腳排列如圖8－27所示。注：6264的26腳為高電平有效的片選端。圖8－27常用靜態(tài)RAM芯片引腳圖1/14/2023147其引腳功能如下：A0～Ai地址輸入線，i=10(6116),12(6264),14(62256)。D0～D7雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線；ＣＥ片選信號(hào)輸入線，低電平有效，當(dāng)6264的26腳(CS)為高電平，且ＣＥ為低電平時(shí)。才選中該片；ＯＥ讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效；ＷＥ寫(xiě)允許信號(hào)輸入線，低電平有效；ＶＣＣ工作電源，電壓為＋５Ｖ；GND線路地。這3種RAM電路的主要技術(shù)特性見(jiàn)表8－5。1/14/20231