常用数据传输接口

1、1,第12章 常用数据传输接口,本章主要介绍I2C，SPI和1-wire三种传输总线的传输协议及过程，为了便于大家对三种传输总线的理解，笔者针对每种传输总线分别介绍了AT24C02，DS1302和DS18B20三款芯片的使用方法和应用过程。,2,12.1 I2C总线AT24C02设计12.1.1 I2C总线概述,I2C总线全称是Inter-Integrated Circuit总线，有时也写为IIC总线，由菲利普公司推出，是广泛采用的一种新型总线标准，也是同步通信的一种通信形式。具有接口线少、占用的空间非常小、控制简单、通信速率较高等优点。所有与I2C兼容的器件都具有标准的接口，可以把多个I2C

2、总线器件同时接入I2C总线上，通过地址来识别通信对象，使它们可以经由I2C总线相互直接通信。,3,12.1.2 I2C总线硬件结构图,图12.1.1 I2C总线系统的硬件结构图,4,12.1.3 I2C总线通信时序,I2C总线上进行一次数据通信的时序图12.1.2所示。,图12.1.2 I2C总线进行一次数据通信的时序图,5,12.1.4 数据位的有效性规定,图12.1.4 I2C总线数据位有效性规定,6,12.1.5 发送启动信号,图12.1.5 I2C总线启动信号时序图,7,12.1.6 发送寻址信号,器件地址有7位和10位两种，这里只介绍7位地址寻址方式。 在I2C总线开始信号后，再发送

3、寻址信号。送出的第一个字节数据是SLA寻址字节，用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/ )。,8,12.1.7 应答信号规定,图12.1.6 I2C总线应答信号时序图,9,12.1.8 数据传输,数据传输的过程如下： （1）假设器件A要向器件B发送信息： 器件A（主机）寻址器件B（从机） 器件A（主机发送器）发送数据到器件B（从机接收器） 器件A终止传输 （2）假设器件A要读取器件B中的信息： 器件A（主机）寻址器件B（从机） 器件A（主机接收器）从器件B（从机发送器）接收数据 器件A终止传输,10,12.1.9 非应答信号规定,当主机为接收设备时，主机对最后一个字节不

4、应答，以向发送设备表示数据传送结束。,11,12.1.10 发送停止信号,图12.1.7 I2C总线停止信号时序图,12,12.2 单片机模拟I2C总线通信,在单片机模拟I2C总线通信时，需要调用一些函数构建相应的时序。这些函数有：总线初始化、启动信号、应答信号、停止信号、写一个字节、读一个字节。,13,12.3 AT24C02的基础知识,具有I2C总线接口的EEPROM很多，在此就仅介绍ATMEL公司生产的AT24C系列EEPROM，其主要型号AT24C01/02/04/08/16等，其对应的存储容量分别为128x8/256x8/512x8/1024x8/2048x8。采用这类芯片可以解决掉

5、电数据丢失的问题，可以对保存的数据保持100年，并可以擦除10万次以上。,14,12.3.1 AT24C02引脚配置与引脚功能,图12.3.1 AT24C02芯片实物图和管脚图,15,12.3.2 AT24C02的特性,与400KHz I2C总线兼容 1.8到6.0伏电压范围 低功耗CMOS技术 写保护功能：当WP位高电平时进行写保护状态 页写缓冲器 自定时擦除写周期 1,000,000编程/擦除周期 可保存数据100年 8脚DIP、SOIC或TSSOP封装 温度范围：商业级、工业级和汽车级,16,12.3.3 AT24C02管脚描述,图12.3.2 单片机与AT24C02连接的电路图,17,

6、AT24C02管脚功能描述,表12.3.1 AT24C02管脚功能描述,18,12.4 AT24C02的应用实例,12.4.1 设计要求 采用定时中断方式，设计一个059s变化的秒表，将每次显示在数码管上的时间（059）存入AT24C02。,19,图12.4.1 基于AT24C02的秒表设计原理图,20,12.5 SPI 总线DS1302实时时钟设计12.5.1 SPI总线简介,SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口。SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支

7、持多Slave模式应用，一般仅支持单Master。时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。,21,图12.5.1 SPI 主从机接口连接图,22,12.5.2 接口定义数据传输,图12.5.2 SPI信号传输示意图,23,接口定义数据传输,表12.5.1 SPI 的4根信号线功能表,24,图12.5.3 多个SPI从设备级联图,25,图12.5.4 多个SPI从设备独立连接图,26,要注意的是：SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一

8、个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样的传输方式有个优点：与普通的串行通信相比，SPI允许数据一位一位地传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟信号的控制可以完成对通信的控制。SPI还有一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线相互独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上升沿或下降沿的采集有不同的定义，具体的情况需要参考相关器件的技术文档。,27,12.6 DS1302的基础知识,DS1302主要特点是采用串行数据传

9、输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。 DS1302缺点：时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。 DS1302优点：DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。,28,DS1302的结构及工作原理 DS1302工作电压为2.5V5.5V，采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后

10、背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。,29,DS1302实物及引脚图，如图,图12.6.1 DS1302实物及引脚图,30,DS1302串行时钟由电源、输入移位寄存器、命令控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成，其结构图如图,图12.6.2 DS1302结构图,31,DS1302的控制字节,图12.6.3 DS1302单字节数据读/写时序,32,12.7 DS1302显示时钟的实例,12.7.1 设计要求 用DS1302设计一个数字时钟。,33,图12.7.1 DS1302电路连接原理图,34,12.8 1-Wire总线介绍及DS18B20测量温度设计,12.8.1

11、 1-wire单总线概述,图12.8.1 1-wire总线示意图,35,12.8.2 DS18B20的基础知识,以Dallas公司生产的DS18B20芯片为例，DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统的热敏电阻相比，它只需一根导线就能直接读出被测温度，并可以根据实际需求编程实现912位数字值的读数方式。它有三种封装形式,36,图12.8.2 三种封装形式及芯片的外形图,37,DS18B20内部结构,图12.8.3 DS18B20内部结构框图,38,DS18B20的工作原理,图12.8.4 DS18B20的测温原理图,39,12.9 DS18B20测量温度的实例,12.9.1 设计要求 DS18B20它在一根数据线上实现数据的双向传输，这就需要一定的协议来对读/写数据提出严格的时序要求，而AT89系列单片机并不支持单线传输。因此，必须采用软件的方