單片機(jī)系統(tǒng)的串行擴(kuò)展

單片機(jī)系統(tǒng)的串行擴(kuò)展1第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.1MCS-51系統(tǒng)的串行擴(kuò)展原理

目前，對(duì)控制系統(tǒng)微型化的要求越來(lái)越高，便攜式的智化儀器需求量越來(lái)越大。為了使儀器微型化，首先要設(shè)法減少儀器所用芯片的引腳數(shù)。這樣一來(lái)過(guò)去常用的并行總線接口方案由于需要較多的引腳數(shù)而不得不舍棄，轉(zhuǎn)而采用只需少量引腳數(shù)的串行總線接口方案。SPI(SerialPeripheralInterface)和I2C(Inter-IntegratedCircuit)就是兩種常用的串行總線接口。SPI三線總線只需3根引腳線就可與外部設(shè)備相連。而I2C兩線總線則只需2根引腳線就可與外部設(shè)備相連。

2第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.1.1SPI三線總線一．SPI總線概述SPI實(shí)際上是一種串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。SPI方式可允許同時(shí)同步傳送和接收8位數(shù)據(jù)，它工作時(shí)傳輸速率最高可達(dá)幾十兆位/秒。SPI用以下3個(gè)引腳來(lái)完成通信：

(1)串行數(shù)據(jù)輸出SDO(SerialDataOut)。

(2)串行數(shù)據(jù)輸入SDI(SerialDataIn)。

(3)串行時(shí)鐘SCK(SerialClock)。圖7-1主機(jī)、從機(jī)之間SPI總線連接示意圖3第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日二.SPI總線的結(jié)構(gòu)與工作原理SPI總線有主機(jī)、從機(jī)的概念。主機(jī)的發(fā)送與從機(jī)的接收相連，主機(jī)的接收與從機(jī)的發(fā)送相連，主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)輸出到從機(jī)的時(shí)鐘引腳上，除了以上三根通訊線外，一般從機(jī)還需一根片選控制線。由于SPI的數(shù)據(jù)輸出線（SDO）和數(shù)據(jù)輸入線（SDI）是分開(kāi)的，因此允許主機(jī)、從機(jī)之間發(fā)送和接收同時(shí)進(jìn)行，至于數(shù)據(jù)是否有效取決與應(yīng)用軟件。當(dāng)主機(jī)發(fā)出片選控制信號(hào)以后，數(shù)據(jù)的傳輸節(jié)拍由主機(jī)的SCK信號(hào)控制。對(duì)具有SPI功能的單片機(jī)，時(shí)序圖中的SDO和SCK的波形由硬件自動(dòng)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的接收也是由硬件自動(dòng)完成的。4第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-2SPI通訊的時(shí)序圖主機(jī)的SS信號(hào)有效后，選中從設(shè)備，在SCK的上升沿主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，SCK的下降沿主機(jī)接收數(shù)據(jù)。而對(duì)沒(méi)有SPI功能的單片機(jī)，則時(shí)序圖中的SDO和SCK的波形要由軟件產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的接收也要由軟件來(lái)完成。5第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.2單片機(jī)的外部串行擴(kuò)展

串行外圍器件由于具有體積小、價(jià)格低、占用I/O口線少等優(yōu)點(diǎn)。正在越來(lái)越多的領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。下面分別介紹串行E2PROM、串行輸入輸出接口、串行A/D轉(zhuǎn)換器。7.2.1串行擴(kuò)展E2PROM

串行E2PROM具有體積?。ㄍǔ?腳封裝）、價(jià)格低、占用I/O口線少、壽命長(zhǎng)（能重復(fù)使用100，000次及100年數(shù)據(jù)不丟失）、抗干擾能力強(qiáng)、不易被改寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)。隨著當(dāng)今智能化儀表趨于小型化，再加真正需要預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)位、控制位、保密位等數(shù)據(jù)并不占據(jù)太多的存儲(chǔ)空間，串行E2PROM正被廣泛應(yīng)用于多功能的智能化儀表中。表7-2列出了美國(guó)ATMEL公司I2C總線的AT24C系列串行E2PROM，表7-3列出了美國(guó)ATMEL公司SPI總線的AT25系列串行E2PROM。為讀者選擇不同容量、不同接口總線及了解有關(guān)串行E2PROM的詳細(xì)性能提供參考。6第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日7第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日8第八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日I2C的結(jié)構(gòu)與工作原理

I2C總線上所有器件的SDA線并接在一起，所有器件的SCL線并接在一起，且SDA線和SCL線必須通過(guò)上拉電阻連接到正電源。圖7-3為I2C總線器件的連接圖。圖7-3I2C總線器件電氣連接圖9第九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要比SPI總線復(fù)雜一些，因?yàn)镮2C總線器件沒(méi)有片選控制線，所以I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始必須，由主器件產(chǎn)生通訊的開(kāi)始條件（SCL高電平時(shí)，SDA產(chǎn)生負(fù)跳變）；通訊結(jié)束時(shí)，由主器件產(chǎn)生通訊的結(jié)束條件（SCL高電平時(shí)，SDA產(chǎn)生正跳變）。SDA線上的數(shù)據(jù)在SCL高電平期間必須保持穩(wěn)定，否則會(huì)被誤認(rèn)為開(kāi)始條件或結(jié)束條件，只有在SCL低電平期間才能改變SDA線上的數(shù)據(jù)。圖7-4為I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸波形圖。圖7-4I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸波形圖。10第十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日一.AT24C系列E2PROM的功能及特點(diǎn)

AT24C系列為美國(guó)ATMEL公司推出的串行CMOS型E2PROM，具有功耗小，寬電壓范圍等優(yōu)點(diǎn)。工作電流約3mA，靜態(tài)電流隨電源電壓不同為30uA～110uA，存儲(chǔ)容量有128×8、256×8、512×8、1K×8、2K×8、4K×8、8K×8、16K×8、32K×8和64K×8等多種規(guī)格，圖7-5為AT24C系列串行E2PROM的引腳圖。圖中A0、A1、A2為器件地址引腳，VSS為地，VCC為正電源，寫(xiě)保護(hù)，SCL為串行時(shí)鐘線，SDA為串行數(shù)據(jù)線。圖7-5AT24C系列串行E2PROM的引腳圖11第十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日二.AT24C系列E2PROM接口及地址選擇

AT24C系列E2PROM采用I2C總線，I2C總線上可掛接多個(gè)接口器件，在I2C總線上的每個(gè)器件應(yīng)有唯一的器件地址，按I2C總線規(guī)則，器件地址為7位二進(jìn)制數(shù)，它與1位數(shù)據(jù)方向位構(gòu)成一個(gè)器件尋址字節(jié)。器件尋址字節(jié)的最低位（D0）為方向位（讀/寫(xiě)）；最高4位（D7～D4）為器件型號(hào)地址（不同的I2C總線接口器件的型號(hào)地址由廠家給定，AT24C系列E2PROM的型號(hào)地址皆為1010）；其余3位（D3～D1）與器件引腳地址A2A1A0相對(duì)應(yīng)。器件地址格式：1010A2A1A012第十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

對(duì)于E2PROM的片內(nèi)地址，AT24C01和AT24C02由于芯片容量可用一個(gè)字節(jié)表示，故讀寫(xiě)某個(gè)單元前，先向E2PROM寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)的器件地址，再寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)的片內(nèi)地址。而AT24C04、AT24C08和AT24C16分別需要9位、10位和11位片內(nèi)地址，所以AT24C04把器件地址中的D1作為片內(nèi)地址的最高位，AT24C08把器件地址中的D2D1作為片內(nèi)地址的最高兩位，AT24C16把器件地址中的D3D2D1作為片內(nèi)地址的最高三位。凡在系統(tǒng)中把器件的引腳地址用作片內(nèi)地址后，該引腳在電路中不得使用，作懸空處理。AT24C32、AT24C64、AT24C128、AT24C256和AT24C512的片內(nèi)地址采用兩個(gè)字節(jié)。13第十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日三.AT24C系列E2PROM的讀寫(xiě)操作原理

下列讀寫(xiě)操作中SDA線上數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)標(biāo)記注釋如下：

S為開(kāi)始信號(hào)（SCL高電平時(shí)，SDA產(chǎn)生負(fù)跳變），

由主機(jī)發(fā)送。

P為結(jié)束信號(hào)（SCL高電平時(shí)，SDA產(chǎn)生正跳變），由

主機(jī)發(fā)送。

addr、addr_H和addr_L為地址字節(jié)，指定片內(nèi)某一

單元地址，由主機(jī)發(fā)送。

data為數(shù)據(jù)字節(jié)，由數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送。

0為肯定應(yīng)答信號(hào)，由數(shù)據(jù)接收方發(fā)送。

1為否定應(yīng)答信號(hào),由數(shù)據(jù)接收方發(fā)送。14第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

主機(jī)控制數(shù)據(jù)線SDA時(shí)，在SCL高電平期間必須保持SDA線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，否則會(huì)被誤認(rèn)為對(duì)從機(jī)開(kāi)始條件或結(jié)束條件。主機(jī)只能在SCL低電平期間改變SDA線上的數(shù)據(jù)。主機(jī)寫(xiě)操作期間，用SCL的上升沿寫(xiě)入數(shù)據(jù)；主機(jī)讀操作期間，用SCL的下降沿讀出數(shù)據(jù)。

AT24C系列AT24C01～AT24C16芯片的存儲(chǔ)容量最多為中讀n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式

從AT24C系列AT24C01～AT24C16中讀n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式：15第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日從AT24C系列AT24C32～AT24C512中讀n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式：向AT24C系列AT24C01～AT24C16中寫(xiě)n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式（n≦頁(yè)長(zhǎng)，且n個(gè)字節(jié)不能跨頁(yè)）：向AT24C系列AT24C32～AT24C512中寫(xiě)n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式（n≦頁(yè)長(zhǎng)，且n個(gè)字節(jié)不能跨頁(yè)）：16第十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日四、AT24C系列E2PROM與MCS-51單片機(jī)

的數(shù)據(jù)交換

圖7-6為一片AT24C系列E2PROM與MCS-51單片機(jī)的連接電

路圖。若有多片E2PROM與MCS-51單片機(jī)相連，則各E2PROM的器件地址引腳接線要不同。圖7-6AT24C系列E2PROM與MCS-51單片機(jī)的連接電路圖17第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

圖7-774LS165內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖7.2.2串行擴(kuò)展I/O接口

MCS-51單片機(jī)的并行I/O接口與外部RAM是統(tǒng)一編址的，即擴(kuò)展并行I/O接口要占用單片機(jī)的外部RAM的空間。若用串行的方法擴(kuò)展I/O接口，則可以節(jié)省系統(tǒng)的硬件開(kāi)銷(xiāo)，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法。下面分別介紹串行輸入接口和串行輸出接口。一.串行輸入接口74LS165

74LS165是一個(gè)8輸入，串行輸出的接口電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。18第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

為數(shù)據(jù)鎖存端，當(dāng)為低電平時(shí)鎖存數(shù)據(jù)；CP1和CP2為移位脈沖輸入端；Q7為數(shù)據(jù)輸出端；DS為數(shù)據(jù)輸出端；CP的上升沿移出數(shù)據(jù)。74LS165作為串行輸入接口可以單片使用，也可級(jí)聯(lián)使用。級(jí)聯(lián)使用的電路圖7-8所示。圖7-874LS165級(jí)聯(lián)使用電路連接圖二．串行輸出接口74LS164

74LS164是一個(gè)串行輸入，8位并行輸出的接口電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-9所示。為清零端，當(dāng)為低電平時(shí)清零；A和B為數(shù)據(jù)輸出端；CP端為移位脈沖輸入端，CP的上升沿移入數(shù)據(jù)。74LS164作為串行輸出接口可以單片使用，也可級(jí)聯(lián)使用。級(jí)聯(lián)使用的電路連接如圖7-1019第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-974LS164內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖7-1074LS164級(jí)聯(lián)使用電路連接圖20第二十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日7.2.3串行擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器

隨著對(duì)智能化儀表微型化要求的越來(lái)越高，串行A/D轉(zhuǎn)換器件由于具有體積小、價(jià)格低、占用I/O口線少等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。美國(guó)的模擬器件公司(ADI)、MAXIM公司和德州儀器(TI)公司等許多公司紛紛推出能滿足不同用戶(hù)要求的串行A/D轉(zhuǎn)換器件。表7.4列出了美國(guó)TI公司系列串行A/D轉(zhuǎn)換器件。一、11通道12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹。

21第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日TLC2543是德州儀器公司生產(chǎn)的12位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間10μs，11個(gè)模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測(cè)試方式，采樣率為66kbps，線性誤差±1LSBmax，有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC，具有單、雙極性輸出，可編程的MSB或LSB前導(dǎo)，可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。圖7-11和圖7-12分別是TLC2543的引腳排列圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。TLC2543有兩種封裝形式。表7.5是TLC2543的引腳功能說(shuō)明22第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-11TLC2543的引腳排列圖圖7-12TLC2543的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖23第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

24第二十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

表7-5TLC2543的引腳功能說(shuō)明25第二十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日二．TLC2543的工作方式和輸入通道的選擇

TLC2543是一個(gè)多通道和多工作方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，其工作方式和輸入通道的選擇是通過(guò)向TLC2543的控制寄存器寫(xiě)入一個(gè)八位的控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)八位的控制字由四個(gè)部份組成：D7D6D5D4選擇輸入通道，D3D2選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，D1選擇輸出數(shù)據(jù)順序，D0選擇轉(zhuǎn)換結(jié)果的極性。八位控制字的各位的含義如表7-6~表7-9所示。主機(jī)以MSB為前導(dǎo)方式將控制字寫(xiě)入TLC2543的控制寄存器，每個(gè)數(shù)據(jù)位都是在CLOCK序列的上升沿被寫(xiě)入控制寄存器。26第二十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日表7-6輸入通道選擇表7-7輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度選擇27第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日表7-8輸出數(shù)據(jù)順序選擇表7-9轉(zhuǎn)換結(jié)果極性選擇28第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

三．TLC2543的讀寫(xiě)時(shí)序

當(dāng)片選信號(hào)為高電平時(shí)，CLOCK和DATA_IN被禁止、DATA_OUT為高阻狀態(tài)，以便為SPI總線上的其它器件讓出總線。在片選信號(hào)的下降沿，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的第一位數(shù)據(jù)出現(xiàn)在DATA_OUT引腳上，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的其它數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘信號(hào)CLOCK的下降沿被串行輸出到DATA_OUT引腳。在片選信號(hào)下降沿以后，時(shí)鐘信號(hào)CLOCK的前八個(gè)上升沿將八位控制字從DATA_IN引腳串行輸入到TLC2543的控制寄存器。在片選信號(hào)下降沿以后，經(jīng)歷8個(gè)(或12個(gè)/或16個(gè))時(shí)鐘信號(hào)完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的一次讀寫(xiě)。本次寫(xiě)入的控制字在下一次轉(zhuǎn)換中起作用，本次讀出的結(jié)果由上次輸入的控制字決定。A/D轉(zhuǎn)換可由片選的下降沿觸發(fā)，也可由CLOCK信號(hào)觸發(fā)。29第二十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

圖7-13是由片選的下降沿觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。圖7-14是由CLOCK信號(hào)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。圖7-15是由片選的下降沿觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。圖7-16是由CLOCK信號(hào)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。圖中的（A11A10A9A8）A7…A0為（12）8位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，B7B6…B0為控制字。30第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-13片選的下降沿觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換、輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。31第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-14CLOCK信號(hào)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換、輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。32第三十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-15片選的下降沿觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換、輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。33第三十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-16CLOCK信號(hào)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換、輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為12位、以MSB導(dǎo)前的讀寫(xiě)時(shí)序圖。34第三十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日

四．MCS-51單片機(jī)對(duì)TLC2543的讀寫(xiě)子程序

以下的子程序RAD用于讀上次的12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和寫(xiě)下一次轉(zhuǎn)換的控制字。轉(zhuǎn)換結(jié)果存放于寄存器