《接口技术》：第五章《 I2C串行总线及单总线技术》 课件

第五章I2C串行总线及单总线技术

串行总线广泛用于芯片间的串行数据传输技术。由于串行总线结构简单，连接线少，因此，采用串行总线可以使系统的硬件设计简化、体积小、可靠性高。同时，系统的更改和扩充极为容易。目前，单片机应用系统中使用的串行总线主要有

I2C总线、SPI总线、1-Wire总线。对于无这种接口的89C52等单片机可以用软件模拟串行通信时序。§5.1I2C串行总线扩展技术(软件模拟）

I2C总线是Philips公司推出的一种高性能芯片间的串行传输总线，它仅以两根连线就可实现完善的全双工同步数据传送。I2C总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址，使硬件系统具有跟简单、灵活的扩展方法。

I2C总线进行数据传输时只需两根信号线，一根是双向的数据线SDA,另一根是时钟线SCL。所有连接到I2C总线上的设备，其串行数据都连接到总线的SDA线上，而各设备的时钟均接到总线的SCL上。I2C总线是一个多主机总线，即一个I2C总线可以有一个或多个主机，总线运行由主机控制。这里所说的主机是指启动数据发送（发起始信号),发终止信号、传送结束时发终止信号的设备。通常，主机由各种单片机担当。被主机寻址的设备叫从机，它可以是各种单片机也可以是其他器件，如IC卡存储器、LED或LCD的驱动器、A/D、D/A转换器、时钟日历器件等。

为了进行通信，每个接到I2C总线上的设备都有一个唯一的地址。主机与从机的数据传送可以是由主机发送数据到总线上其他设备，这时的主机称为发送器。从总线上接收数据的设备称为接收器。单片机ASCLSDA单片机BSCLSDASRAM或E2PROMSCLSDAA/D或D/ASCLSDA日历时钟SCLSDA其他I2C外围设备SCLSDA§5.1.1I2C串行总线的数据传送

I2C总线进行数据传送时，在时钟高电平期间，数据线上必须保持稳定的逻辑电平状态，高电平为“1”，低电平为“0”。只有在时钟线为低电平期间，才允许数据线上的电平状态变化。如下图所示。一、总线上数据的有效性二、数据传送的起始信号和终止信号

根据I2C总线协议的规定，SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。起始和终止信号图如下图所示。1、字节传送与应答每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位），与应答信号相对应的时钟由主机产生，主机必须在这一时钟位上释放数据线，使其处于高电平状态。应答信号为低电平表示继续接收，高电平为非应答表示结束接收。三、数据传送格式四、单主机I2C总线数据传送时序

START:CLRCLK;起始位

NOP NOPSETB IO;IO=SDA,CLK=SCL NOP NOP SETB CLK NOP NOP CLR IO NOP NOP CLR CLK NOP RET

STOP:CLRCLK;停止位

NOP NOP CLR IO NOP NOP SETB CLK NOP NOP SETB IO NOP NOP CLR CLK NOP NOP CLR IO RETWR_BYTE:MOVR5,#08 ;一字节8位数据

CLR CLK NOP NOPWR_BYTE1:RLC A ;带进位位左移，A.8->C MOV IO,C ;SCL低电平时改变SDA上的数据

NOP SETB CLK ;拉高SCL把数据发送出去

NOP NOP CLR CLKNOP NOP DJNZ R5,WR_BYTE1 ;依次发送A中的8位数据

SETB IO SETB CLK JB IO,$ ;等待IC卡ACK信号

CLR CLK NOP RETB;***************A==读出的数据*********************************RD_BYTE:MOVR5,#08 SETB IO ;设备IO为输入状态

CLR A ;清空A寄存器RD_BYTE1:MOVC,IO ;读一位数据到进位位，直到第九个时钟的下降沿泵出

RLC A ;左移数据到A.0 SETB CLK NOP NOP CLR CLK ;泵出下一位数据

NOP NOP DJNZ R5,RD_BYTE1 ;依次读出8位数据到A中

RET ;无应答信号详见IC卡实验§5.2单总线（1-Wire)扩展技术

单总线（1-Wire)是美国Dallas公司推出的外围串行扩展总线。单总线只有一根数据输入/输出线，所有单总线的器件都挂在这根线上，即仅通过1条连接线，便可完成全部的控制、通信和供电。本节以单总线温度传感器DS18B20构成的温度测控系统为例详细介绍单总线的接口方法及应用。§5.2.1单总线（1-Wire)简介

1硬件配置单总线的连接方式如图1-1（a）所示，一个简洁的单总线网络包括三个主要部分：带有控制软件的主控器（由单片机或PC相当），连接上拉电阻和稳压二极管的连接线及各种功能的单总线从器件。每一位读/写时序开始时，主控器把总线拉低，结束时，释放总线为高电平。单总线的内部结构如图1-1（b）所示，单总线接口是用来实现供电和同步的；64位ROM用于存储由生产厂家光刻的、全球唯一的、且不可更改的64位序列号，其中最低8位是器件的类型号，功能相同的一类器件具有相同的类型号，然后是48位的器件序列号，最后8位是CRC校验位，用于验证数据传输的正确性；外围功能部件用来完成某一特定的功能；主控器通过对RAM的读/写操作实现对器件的控制。2通信规程单总线通过主从式、位同步、半双工串行方式通信，规程如下：l总线初始化，主控制器先发复位脉冲，然后从控制器发应答脉冲。lROM指令，主控制器通过ROM指令读取各从器件的ROM识别码（即64位序列号）以选择单总线上的某一从器件。lRAM指令，通过对从器件RAM的读/写操作，让外围器件实现某一功能。1、DS18B20的特性及引脚l

采用单总线技术，与单片机只需要一根I/O线。在一根I/O线上可挂接多个DS18B20.l每个DS18B20具有一个独立的、不可修改的64位序列号，根据序列号可以访问对应器件。l低电压供电，电源范围3-5V。l测温范围-55℃-+125℃,在-10℃-+85℃范围内误差为±0.5℃.l可编程数据为9-12位。l用户可自行设定报警的上、下限温度值。lDS18B20的分辨率可由用户通过EEPROM设置为9-12位。lDS18B20可将检测到的温度值直接转换为数字量，并通过串行通信方式与主控制器进行数据通信。lDQ为数据输入/输出线。§5.2.2DS18B20内部结构2、内部结构

DS18B20的内部结构如图1-2所示。主要包括：寄生电源、温度传感器、64位激光ROM和单总线接口、存放中间数据的高速暂存器RAM、用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等8部分。图1-2DS18B20内部结构DS18B20内部存储器由ROM、RAM、EEPROM组成，如图1-3所示字节ROMRAMEEPROM0产品代号（28H）温度低8位148位温度高8位

2器件序列号THTH3

TLTL4

配置寄存器配置寄存器5

保留6

保留7CRC保留8

CRC图1-3DS18B20内部存储器结构

ROM由64位二进制数字组成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1~6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位的CRC校验码。由于64位ROM码具有唯一性，在使用时作为该器件校对的地址，通过读ROM命令可以将它读出来。64位只读存储器ROMRAM是由9个字节的高速暂存器和非易失性电擦写EEPROM组成。其中字节0/1存储当前温度，字节2、3存储上、下限报警温度TH和TL，字节4是配置寄存器，字节8是RAM前64位的CRC校验码。RAM中EEPROM用于存储TH、TL和配置存储器的值。数据先写入RAM，经校验后再传给EEPROM。通过DS18B20功能命令对RAM进行操作。高速暂存器RAMDS18B20的温度测量范围是-55°c~+125°C，分辨率的默认值12位。表1-4是温度存储格式与配置寄存器控制字的格式。由表1-4可知，检测温度由两个字节组成，字节1的高5位S代表符号位，字节0的低4位是小数部分，中间7位是整数部分，字节4是配置寄存器控制字的格式，当R1R0的值为00B、01B、10B、11B时，对应的分辨率为9、10、11、12。温度存储格式表1-4温度存储格式与配置寄存器控制字的格式

Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0字节0232221202-12-22-32-4字节1SSSSS262524字节40R1R011111（1）ROM操作指令

表1-5ROM操作指令命令说明读ROM命令（33H）读总线上18B20的序列号（包括产品编号、序列号和校验码）搜索ROM命令（F0H）对总线上的多个DS18B20进行ROM编码的搜索匹配ROM命令（55H）后继64位序列号对总线上DS18B20寻址，用于多个DS18B20的定位跳过ROM命令（CCH）在单位检测时，跳过ROM编码的搜索报警搜索ROM命令（ECH）搜索有报警的DS18B20的测温点3、DS18B20的命令集

表1-6RAM操作指令命令说明温度转换（44H）启动温度转换读暂存器（BEH）读全部暂存器内容，包括CRC字节写暂存器（4EH）写暂存器第2、3、4字节的数据复制暂存器（48H）将暂存器中的TH、TL和配置寄存器内容复制到EEPROM读EEPROM（B8H）将TH、TL和配置寄存器内容从EEPROM中读至暂存器中读供电方式命令（B4H）检测供电方式

（2）RAM操作指令

当主机发出温度转换命令（44H）时，启动温度转换过程，转换时间最750ms。主机通过读暂存器功能命令（BEH），将温度值读出。通过写暂存器功能命令（4EH），可改变分辨率的设置。

数字式温度传感器和模拟传感器最大的区别，是将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此，掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。所有的DS18B20器件要求采用严格的通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲时序；写“0”、写“1”时序；读“0”、读“1”时序。与DS18B20的通信，是通过操作时序完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。4、DS18B20的通信协议（1）复位和应答脉冲时序图1-7复位和应答脉冲时序每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲，其后紧跟DS18B20发出的应答脉冲，如图1-7所示。在写时序期间，主机向DS18B20器件写入数据，而在读时序期间，主机读入来自DS18B20的数据。在每写一个时序，总线只能传输一位数据。1）DS18B20的复位子程序RST:SETBDAT

NOP

NOP

CLRDAT；复位DAT=0

MOVR6,#250DJNZR6,$

movr6,#50djnzr6,$；延时600us

SETBDAT;DAT

=1

MOVR6,#15DJNZR6,$;延时30us

CALL

CHCK;读应答

MOVR6,#60DJNZR6,$;延时120us

SETBDAT;

RETCHCK:MOVC,DAT；读应答

JCRST0；有应答C=0

SETBF0;则置“1”F0SJMPCHCK0RST0:CLRF0;无应答C=0CHCK0:RET；清”0”F0

当主机将单总线DQ从逻辑高（空闲状态）拉为逻辑低时，即启动一个写时序。所有的写时序必须在60-120μs内完成，且在每个时序之间至少需要1μs的恢复时间。写“0”和写“1”时序如图1-8所示。在写“0”时序期间微控制器在整个时序中将总线拉低；而写“1”时序期间，微控制器将总线拉低，然后在时序起始后15μs之内释放总线为高。（1）写时序图1-8写“0”和写“1”时序WRITE_0:CLRDAT;写“0”子程序

MOVR6,#30DJNZR6,$；延时60us

SETBDAT

RETWRITE_1:CLRDAT；写“1”子程序

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP;延时12us

SETBDAT

MOVR6,#30DJNZR6,$;延时60us

RETSEND_BYTE:MOVA,R0;写一字节子程序

MOVR5,#8SEN3:CLRCRRCA

JCSEN1LCALLWRITE_0SJMPSEN2SEN1:LCALLWRITE_1SEN2:DJNZR5,SEN3

RETDS18B20器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便DS18B20能够传输数据。所有读时序至少需要60μs，且在两次独立的时序之间，至少需要1μs的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1μs，读时序如图1-9所示。在主机发起读时序之后DS18B20器件才开始在总线上发送“0”或“1”，若DS18B20发送“1”，则保持总线为高电平；若发送“0”，则拉低总线。当发送0时，DS18B20需在该时序结束后，释放总线，由上拉电阻将总线拉回空闲高电平状态。DS18B20发出的数据，在起始时序之后保持有效时间15μs，因而主机在读时序期间，必须释放总线，并且在起始时序后的15μs之内采样总线状态。（3）读程序READ:SETBDAT；读一位子程序

NOP

NOPCLRDAT

NOP

NOP

SETBDAT;发读时序

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

NOP

MOVC,DAT；15us内读数据

MOVR6,#23DJNZR6,$;延时45usRETREAD_BYTE:

MOVR5,#8；读一个字节子程序READ1:LCALLREADRRCADJNZR5,READ1

MOVR0,A

RETDSWD:LCALLRST

JNBF0,KEND;F0=1有应答

MOVR0,#0CCH;忽略64位rom地址，直接向DS18B20发温度变换指令

LCALLSEND_BYTE

MOVR0,#44H;启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长500ms（典型为200ms），结果存入9字节ram中

LCALLSEND_BYTE

MOV48H,#1SS2:

MOV49H,#255SS1:

MOV4AH,#255

LCALLRST

JNBF0,KEND

MOVR0,#0CCH;忽略64位rom地址，直接向DS18B20发温度变换指令

LCALLSEND_BYTE

MOVR0,#0BEH;读取内部9字节的内容

LCALLSEND_BYTELCALLREAD_BYTE

MOVWDLSB,ALCALLREAD_BYTE

MOVWDMSB,ALCALLTRANS12；温度转换（十进制）子程序KEND:

RETSS0:DJNZ4AH,SS0DJNZ49H,SS1DJNZ48H,SS2启动18B20转换读结果子程序：DATBITP3.7WDLSBDATA30HWDMSBDATA31H/**********************