第8章 串行总线扩展技术的应用

1、九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系第第8章章 串行总线扩展技术的应用串行总线扩展技术的应用九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系2知识与技能目标知识目标知识目标：1. 1. 了解常用单片机串行扩展方式。了解常用单片机串行扩展方式。2. 2. 掌握掌握I I2 2C C总线、总线、SPISPI总线及单总线的使用方法。总线及单总线的使用方法。3. 3. 掌握掌握24CXX24CXX、TLC549TLC549、TLC5615TLC5615、DS18B20DS18B20等典型器件等典型器件的编程方法。的编程方法。4. 4. 掌握单片机应用系统设计方法。掌握单片机应用系统

2、设计方法。技能目标：技能目标：1.1.掌握单片机系统调试方法。掌握单片机系统调试方法。2.2.掌握单片机串行扩展电路的各种连接方法及编程方法。掌握单片机串行扩展电路的各种连接方法及编程方法。 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系3工作任务 本项目的工作任务是用温度传感器自行设计一数字本项目的工作任务是用温度传感器自行设计一数字温度计，测量范围温度计，测量范围-55125 C，精确到小数点后，精确到小数点后1位，温度值可在位，温度值可在LCD1602上或上或LED数码管上显数码管上显示。示。 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系48.1 I2C总线应用总线应用串行

3、总线串行总线nI2C（Inter IC）总线nSPI（Serial Peripheral Interface）总线n单总线（1-Wire） 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系58.1.1 I2C串行总线概述 I2C总线总线是由是由Philips公司推出的一种公司推出的一种双向二线制双向二线制串行传输总线串行传输总线。特点：特点：控制方式简单灵活，器件体积小，通信速率控制方式简单灵活，器件体积小，通信速率高、低功耗等。高、低功耗等。I2C总线允许接入多个器件，如总线允许接入多个器件，如A/D及及D/A转换转换器、存储器等。总线上的器件既可作为发送器，也器、存储器等。总线上的器件

4、既可作为发送器，也可作为接收器。按照一定的通信协议进行数据交换。可作为接收器。按照一定的通信协议进行数据交换。在每次数据交换开始时，作为主控器的器件需要通在每次数据交换开始时，作为主控器的器件需要通过总线竞争获得主控权。每个器件都具有唯一的地过总线竞争获得主控权。每个器件都具有唯一的地址，各器件间通过寻址确定接收方。址，各器件间通过寻址确定接收方。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系6当总线处于当总线处于等待等待状态时，状态时，数据线数据线SDA和时钟线和时钟线SCL都必须保持都必须保持高电平高电平状态。状态。当时钟线当时钟线SCL保持保持高高电平时，且数据线电平时，且数据线S

5、DA出现出现由高变低由高变低的变化时，的变化时，为为I2C总线工作的总线工作的起始信号起始信号，此时，此时I2C被启动。当被启动。当SCL为为高电平高电平时，且时，且SDA由低变高由低变高时，为时，为I2C总线总线停止信号停止信号，此时，此时I2C总线停止数据传送。总线停止数据传送。SDA上的数据在上的数据在SCL高电平时必须稳定，在高电平时必须稳定，在SCL低电平时才允许变化。低电平时才允许变化。在在I2C总线启动总线启动后，后，送出的第一个字节送出的第一个字节数据是用来选择数据是用来选择从器件地址从器件地址，其，其中中前前7位为地址码，第位为地址码，第8位为方式位（位为方式位（R/W）方式

6、位为）方式位为“0”表示发送表示发送，即即CPU把信息写到所选择的接口或存储器；把信息写到所选择的接口或存储器；方式位为方式位为“1”表示表示CPU将将从接口或存储器读信息从接口或存储器读信息。系统发出开始信号后，系统中的各个器件将。系统发出开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和自己的地址和CPU发送到总线上的地址进行比较，如果与发送到总线上的地址进行比较，如果与CPU发送到发送到总线上的地址一致，则该器件即为被总线上的地址一致，则该器件即为被CPU寻址的器件，其接收信息还寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第是发送信息则由第8位（位（R/W）确定。）确定。I2C总线的通信协议 九江职业

7、技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系7数据格式 在在I2C总线上总线上以字节为单位进行传送以字节为单位进行传送，每次，每次先传送最高位先传送最高位。每次先传的数据字节数不限，在每个被传送的字节后面，每次先传的数据字节数不限，在每个被传送的字节后面，接收器都必须发一位应答位（接收器都必须发一位应答位（ACK），总线上第），总线上第9个时钟个时钟脉冲对应于应答位，数据线上低电平为应答信号，高电平脉冲对应于应答位，数据线上低电平为应答信号，高电平为非应答信号。待发送器确认后，再发下一数据。为非应答信号。待发送器确认后，再发下一数据。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系88.1

8、.2 AT24CXX系列存储器使用系列存储器使用A0、A1、A2：地址线，用于确定从芯片的器件地址线，用于确定从芯片的器件地址。地址。Vcc和和Vss：正、负电源。正、负电源。SDA：串行数据输入：串行数据输入/输出，数据通过这条双向输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送。总线串行传送。SCL：串行时钟输入线。：串行时钟输入线。WP为写保护控制端，接为写保护控制端，接“0”允许写入，接允许写入，接“1”禁禁止写入。止写入。 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系9I2C总线的控制字节 高四位高四位：器件类型识别符器件类型识别符，AT24CXX的器件类型识别符的器件类型识别符是是

9、1010，由，由Philips公司的公司的I2C通信协议所决定，表示从通信协议所决定，表示从器件为串行器件为串行E2PROM。A2、A1、A0：器件地址：器件地址，这三位受不同的电平控制，可，这三位受不同的电平控制，可实现在一个系统中扩展多片串行实现在一个系统中扩展多片串行E2PROM 芯片。控制字芯片。控制字节的节的A2、A1、A0的选择必须与外部的选择必须与外部A2、A1、A0引脚的引脚的硬件连接或内部选择相匹配，若硬件连接或内部选择相匹配，若A2、A1、A0无内部连接无内部连接内这内这3位无关紧要，需做器件选择的，位无关紧要，需做器件选择的，A2、A1、A0引脚引脚可接高电平或低电平。可

10、接高电平或低电平。最低位：读写控制位最低位：读写控制位R/W，“0”表示下一字节进行写操作，表示下一字节进行写操作，“1”表示下一字节进行读操作。表示下一字节进行读操作。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系10I2C总线的起始信号、停止信号及应答信号时序图 起始信号起始信号停止信号停止信号发送发送ACK 发送发送ACK九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系11AT24CXX字节写时序图 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系12AT24CXX页面写时序图 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系13 AT24CXX读当前地址时序图 九江职

11、业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系14AT24CXX读指定地址时序图 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系15AT24CXX读顺序地址时序图 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系168.1.3 AT24CXX系列存储器接口电路与编程 用单片机的P3.2和P3.3分别发出SCL和SDA信号。将数据0AAH存入AT24C02的地址00H中，再将该单元数据读出，送到P1口控制8个发光二极管工作。 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系178.2 SPI总线应用总线应用SPI（Serial Peripheral Interface）串行总线是由

12、）串行总线是由Motorola公司开发的公司开发的全双工同步串行总线全双工同步串行总线，用于用于MCU与与EEPROM、ADC、FRAM和显示驱动器之和显示驱动器之类的类的慢速外设器件间的串行通信慢速外设器件间的串行通信。主要特点主要特点n可以同时发出和接收串行数据。可以同时发出和接收串行数据。n可以当作主机或从机工作，提供频率可编程时钟，发送可以当作主机或从机工作，提供频率可编程时钟，发送结束中断标志，写冲突保护，总线竞争保护等。结束中断标志，写冲突保护，总线竞争保护等。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系18SPI总线协议SS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有是控制芯片是

13、否被选中的，也就是说只有片选信号片选信号为预为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。通过作才有效。通过SS信号使得信号使得SPI允许在同一总线上连接多允许在同一总线上连接多个个SPI设备。设备。SPI是串行通信协议，数据是一位一位的从高到低位传输的。是串行通信协议，数据是一位一位的从高到低位传输的。由由SCK提供提供时钟脉冲时钟脉冲，MISO、MOSI则基于此脉冲完成数则基于此脉冲完成数据传输。数据通过据传输。数据通过MOSI线线在时钟上升沿或下降沿时在时钟上升沿或下降沿时输出输出，在紧接着的下降沿或上升沿由在紧接着的下

14、降沿或上升沿由MISO线读取线读取。在至少。在至少8次时次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据位数据的传输。的传输。数据传输的时钟波特率可以高达数据传输的时钟波特率可以高达5Mbps，具体速度大小取，具体速度大小取决于决于SPI硬件。硬件。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系19SPI总线时序图 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系208.2.2 串行串行A/D转换器转换器TLC549TLC549是是TI公司生产的一种低价位、高性能的公司生产的一种低价位、高性能的8位位串行串行A/D转换器转换器，它以

15、，它以8位开关电容逐次逼近的方位开关电容逐次逼近的方法实现法实现 A/D转换，其转换速度小于转换，其转换速度小于17us，最大转，最大转换速率为换速率为 40kHz，4MHz典型内部系统时钟，电源典型内部系统时钟，电源为为3V至至6V，总失调误差最大为，总失调误差最大为0.5LSB，典型功，典型功耗值为耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围。它能方便地采用扰，可按比例量程校准转换范围。它能方便地采用SPI串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。廉价的测控应用系统。九江职

16、业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系21TLC549 各引脚功能 REF+：正基准电压输入，电压范围：正基准电压输入，电压范围2.5VVcc+0.1。 REF：负基准电压输入端，电压范围：负基准电压输入端，电压范围0.1V2.5V， 且要求且要求VREF+ VREF1V。VCC：系统电源，电压范围：系统电源，电压范围3V6V。 GND：接地端。：接地端。 CS：芯片选择输入端，要求输入高电平：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN2V， 输入低电平输入低电平 VIN0.8V。SDO：转换结果数据串行输出端，与：转换结果数据串行输出端，与TTL电平兼容，输出时高位在前，电平兼容，输出时

17、高位在前，低位在后。低位在后。AIN：模拟信号输入端，模拟信号电压范围：模拟信号输入端，模拟信号电压范围0VCC，当，当VAINVREF+电压电压时，转换结果为全时，转换结果为全“1”（即（即0FFH），），VAINVREF电压时，转换结果为电压时，转换结果为全全“0”（即（即00H）。）。 SCLK：外接：外接I/O时钟输入端，用于同步芯片的输入时钟输入端，用于同步芯片的输入/输出操作，无需与输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。芯片内部系统时钟同步。 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系22TLC549的工作时序 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系23TL

18、C549接口电路及编程 利用利用TLC549串行串行A/D转换器实现的数字电压表转换器实现的数字电压表 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系24串行A/D转换子程序框图 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系258.2.3 串行串行D/A转换器转换器TLC5615TLC5615 是是TI公司生产的高性能公司生产的高性能10位电压输出型位电压输出型串行串行D/ A转换器转换器，最大输出电压是基准电压值的两，最大输出电压是基准电压值的两倍。具有上电复位功能，即把倍。具有上电复位功能，即把 DAC 寄存器复位至寄存器复位至全零。只需要通过全零。只需要通过SPI串行总线就

19、可以完成串行总线就可以完成10位数位数据的据的D/ A转换，适用于电池供电的测试仪表、移动转换，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制电话，也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。场合。 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系26TLC5615 各引脚功能 DIN：串行数据输入端。：串行数据输入端。SCLK：串行时钟输入端。：串行时钟输入端。 CS：芯片选用端，低电平有效。：芯片选用端，低电平有效。 DOUT：用于级联时的串行数据输出端。：用于级联时的串行数据输出端。AGND：模拟接地端。：模拟接地端。REFIN：基准电压输入端，：基准电压

20、输入端，2V（VDD 2），通常取），通常取2.048V。 OUT：D/A转换模拟电压输出端。转换模拟电压输出端。VDD：正电源端，电压范围：正电源端，电压范围4.55.5V，通常取，通常取 5V。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系27TLC5615的工作时序 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系28TLC5615接口电路及编程 利用利用TLC5615串行串行D/A转换器实现的波形发生器转换器实现的波形发生器 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系298.3 单总线的应用单总线的应用单总线（单总线（1-Wire）技术）技术是由美国是由美国DALL

21、AS公司推出公司推出的一项特有的总线技术。与的一项特有的总线技术。与I2C总线、总线、SPI总线不同，总线不同，它它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。和维护等优点。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系30DS18B20的引脚 p引脚引脚1（GND）：地信号。：地信号。p引脚引脚2（DQ）：数据输入：数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。

22、当被用输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。p引脚引脚3（VDD）：可选择的：可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。必须接地。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系31DS18B20的硬件连接 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系32DS18B20内部结构 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系3364位ROM结构 64位位ROM中的值是出厂前被光刻好的，它可以看中的值是出厂前被光刻好的，它可以看作是该作是该DS18B20的地址

23、序列码的地址序列码。64位光刻位光刻ROM的的排列是：排列是：开始开始8位是产品类型标号位是产品类型标号，接着的接着的48位是位是该该DS18B20自身的序列号自身的序列号，最后最后8位是前面位是前面56位的位的循环冗余校验码循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻）。光刻ROM的作用是使每一个的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的目的。的。 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系34高速存储器RAM内容 字节（从低到高）字节（从低到高）寄存器内容寄存器内容1温度值低温

24、度值低8位位2温度值高温度值高8位位3高温限值高温限值TH4低温限值低温限值TL5配置寄存器配置寄存器6保留保留7保留保留8保留保留9CRC校验校验九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系35配置寄存器 用于确定温度值的数字转换分辨率，该字节各位的定义用于确定温度值的数字转换分辨率，该字节各位的定义如图所示，其中，低五位为高电平，如图所示，其中，低五位为高电平，TM是测试模式位是测试模式位，用于设置用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。，用户不要去改动。R1和和R0用来用来

25、设置分辨率。设置分辨率。 TMR1R011111R1R0分辨率分辨率温度最大转换时间温度最大转换时间009位位93.75ms 0110位位187.5ms 1011位位375ms 1112位位750ms DS18B20DS18B20分辨率设置表分辨率设置表 九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系36DS18B20数据存储 当当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以换完成后的温度值就以16位有符号数的二进制补码形式位有符号数的二进制补码形式存储在高速暂存器存储在高速暂存器RAM的第的第1、2字节中，其数据存储格字

26、节中，其数据存储格式见图所示。单片机可通过单总线接口从低位到高位读式见图所示。单片机可通过单总线接口从低位到高位读取该数据。取该数据。D7D6D5D4D3D2D1D0低字节低字节232221202-12-22-32-4高字节高字节SSSSS262524九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系37DS18B20的控制指令 （1） ROM操作指令操作指令SEARCH ROM（F0H）：搜索：搜索ROM指令，用于识别总线上所有的指令，用于识别总线上所有的DS18B20的地址序列码，以确定所有从机器件。的地址序列码，以确定所有从机器件。READ ROM（33H）：读：读ROM指令，只有在总

27、线上存在单只指令，只有在总线上存在单只DS18B20时才使用，用于读取单只时才使用，用于读取单只DS18B20的地址序列码。的地址序列码。MATH ROM（55H）：匹配：匹配ROM指令，后跟指令，后跟64位位ROM编码序列，编码序列，让总线控制器在多点总线上定位一只特定的让总线控制器在多点总线上定位一只特定的DS18B20，为下一步对，为下一步对该该DS18B20进行读写做准备。进行读写做准备。SKIP ROM（CCH）：忽略：忽略ROM指令，这条指令允许总线控制器不指令，这条指令允许总线控制器不用提供用提供64位位ROM编码就使用功能指令。例如，可先发出一条忽略编码就使用功能指令。例如，可

28、先发出一条忽略ROM指令，然后发出温度转换指令。在单点系统中，执行该指令后指令，然后发出温度转换指令。在单点系统中，执行该指令后只能跟着发出读取暂存器指令，否则会发生数据冲突。只能跟着发出读取暂存器指令，否则会发生数据冲突。ALARM SEARCH（ECH）：报警搜索指令，只有符合报警条件的：报警搜索指令，只有符合报警条件的从机会对此命令做出响应。从机会对此命令做出响应。九江职业技术学院电气工程系九江职业技术学院电气工程系38（2）DS18B20功能指令功能指令CONVERT T（44H）：温度转换指令，用于启动一次温度转换。转：温度转换指令，用于启动一次温度转换。转换后的结果以换后的结果以2

29、字节的形式被存储在高速暂存器中。字节的形式被存储在高速暂存器中。WRITE SCRATCHPAD（4EH）：写暂存器指令，用于向：写暂存器指令，用于向DS18B20的暂存器写入数据，顺序依次是的暂存器写入数据，顺序依次是TH、TL及配置寄存器，数据以最及配置寄存器，数据以最低有效位开始传送。低有效位开始传送。READ SCRATCHPAD（BEH）：读暂存器指令，用于读取：读暂存器指令，用于读取DS18B20暂存器的内容，读取将从第暂存器的内容，读取将从第1个字节一直到第个字节一直到第9字节，控制字节，控制器可以在任何时间发出复位命令来中止。器可以在任何时间发出复位命令来中止。COPY SCRATCHPAD（48H）：复制暂存器指令，用于把：复制暂存器指令，用于把TH、TL和配置寄存器的内容复制到和配置寄存器的内容复制到E2PROM。RECALL E2（B8H）：重调：重调E2PROM指令，用于把指令，用于把TH、TL和配置和配置寄存器的内容从寄存器的内容从E2PROM复制回暂存器，