第章MCS单片机系统基本扩展技术

第8章单片机小系统及片外扩展18.1串行扩展总线接口技术89C51除芯片自身具有UART可用于串行扩展I/O口线以外，还可利用89C51的3～4根I/O口线进行SPI或I2C的外设芯片扩展，以及单总线的扩展。8.1.1SPI串行外设接口总线SPI(SerialPeripheralInterface——串行外设接口）总线是Motorola公司推出的一种同步串行外设接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信，系统可配置为主或从操作模式。SPI系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，它只需4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI低电平有效的从机选择线CS(SS）SPI总线的使用可以简化电路设计，提高设计的可靠性。1.SPI总线系统的组成图8-1是SPI总线系统典型结构示意图单片机与外围扩展器件在时钟线SCK、数据线MOSI和MISO上都是同名端相连。带SPI接口的外围器件都有片选端CS。在扩展多个SPI外围器件时，单片机应分别通过I/O口线来分时选通外围器件。当SPI接口上有多个SPI接口的单片机时，应区别其主从地位，在某一时刻只能由一个单片机为主器件。前不少外围器件都带有SPI接口SPI有较高的数据传送速度，主机方式最高速率可达1.05Mb/s。在大多数应用场合中，使用1个MCU作为主机，控制数据向1个或多个从外围器件的传送。从器件只能在主机发命令时,才能接收或向主机传送数据。其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位(LSB）在后。当SPI工作时，在内部移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到内部移位寄存器（高位在前）。发送一字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。主SPI的时钟信号（SCK）使传输同步。SPI总线有以下主要特性：全双工、3线同步传输；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。其典型时序图如图8-2所示。图8-2SPI串行总线典型时序图图8-3为89C51（MCU）与MCM2814（E2PROM）的硬件连接图。图8-3SPI总线接口原理图8.1.2I2C总线I2C总线是PHILIPS公司推出的串行总线。I2C总线是一种具有自动寻址、高低速设备同步和仲裁等功能的高性能串行总线，能够实现完善的全双工数据传输，是各种总线中使用信号线数量最少的。I2C总线只有两根信号线：数据线SDA和时钟线SCL。所有进入I2C总线系统中的设备都带有I2C总线接口，符合I2C总线电气规范的特性，只需将I2C总线上所有节点的串行数据线SDA和时钟线SCL分别与总线的SDA和SCL相连即可。当执行数据传送时，启动数据发送并产生时钟信号的器件称为主器件；被寻址的任何器件都可看作从器件；发送数据到总线上的器件称为发送器；从总线上接收数据的器件称为接收器。I2C总线是多主机总线，可以有两个或更多的能够控制总线的器件与总线连接；同时I2C总线还具有仲裁功能，当一个以上的主器件同时试图控制总线时，只允许一个有效。I2C总线的寻址采用纯软件的寻址方法，无需片选线的连接，这样就简少了总线数量。主机在发送完启动信号后，立即发送寻址字节来寻址被控器件，并规定数据传送方向。寻址字节由7位从机地址（D7～D1）和1位方向位（D0，0/1，读/写）组成。I2C总线具有多重主控能力，这就意味着可以允许多个作为主控器的电路模块（具有I2C总线接口的单片机）去抢占总线。因此挂接在I2C总线上的集成电路模块的发送器/接收器可以根据不同的工作状态分为主控发送器、主控接收器、被控发送器和被控接收器。3.横I2C总线旁基本贞知识1）I2C总线赖的接壁口电艰路结碰构I2C总线摔由一诱根数证据线SD火A和一痰根时喉钟线SC叙L构成论。I2C总线顶中一愁个节梦点的维每个导电路兴器件润都可免视为芳有如资图8-棵11虚框除所示间的一阻个I2C总线应接口沸电路算，用贤于与I2C总线桂的SD此A和SC勾L线挂呀接。数据脖线SD茄A和时善钟线SC绕L都是死双向息传输贞线，纸平时举均处怖于高胳电平袄备用权状态挑，只仇有当老需要论关闭I2叫C总线度时，SC墓L线才黄会箝吓位在就低电写平。图8-厚11雹I2C总线系的器乏件连钢接2）I2C总线荐信号赤定义在I2C总线蜓上，SD飞A用于挣传送溜有效夕数据米，其哪上传尾输的忆每位外有效想数据潮均对贝应于SC久L线上替的一耳个时话钟脉承冲。也就蜘是说些，只非有当SC安L线上滋为高雄电平辰（SC奸L=凶1）时第，SD饺A线上均的数泊据信剂号才窑会有希效（万高电揪平表妄示1，低浑电平赞表示0）；SC凶L线为服低电著平（SC崖L=色0）时悼，SD焦A线上勿的数家据信境号无捆效。因此烧，只驻有当SC钟L线为伍低电奴平（SC咱L=浴0）时泼，SD歉A线上楼的电箭平状劈燕态才稀允许弱发生唇变化抽（见碑图8-智12但)。8.修1.吗3单总学线单总蚁线（1－Wi狭re）是Da威ll忆as公司盲推出便的外谁围串黑行扩棕展总雨线。币单总耳线只黄有一邻根数宜据输刑入/输出奶线，仰可由每单片骄机或PC机的1根I/帮O口线喜作为俊数据骄输入/输出赵线，求所有祖的器依件都屿挂在捞这根屠线上母。例如侧，图8－18表示及一个干由单掌总线漠构成颗的分匪布式舍温度兼监测春系统飘。许彩多带侵有单搅总线凝接口惹的数勒字温普度计罢集成拆电路DS从18漏S2融0都挂泥接在1根I/流O口线置上，麻单片征机对拣每个DS悟18激S2吐0通过艇总线DQ寻址盐。DQ为漏弱极开刮路，音须加姐上拉亿电阻RP。Da鸡ll忌as公司奋为单真总线弦的寻果址及日数据医传送走提供帖了严释格的奶时序饺规范弹。单总辅线构边成的灯分布姓式温技度监缸测系杰统DS纤18董S2葛0单总舰线测宴温系柳统DS延18男S2业0是美辛国Da密ll游as公司迅生产捆的单宅总线沿数字疮温度隐传感汉器。味它可德以把寇温度认信号预直接辫转换售成串丘行数垃字信械号供叶单片扭机处用理，榜特别周适合府构成全多点丝式温度叙巡回僻检测榨系统揉。由于余每片DS泡18好S2胸0都含虏有惟矿一的数产品森号，滩所以禽从理颗论上瞧来说乘，在彩一条俘总线划上可老以挂圣接任贤意多碎个DS咬18议S2身0芯片天。从DS葱18咳S2饮0读出迫或写扎入信党息仅密需一验根口课线（毁单线般接口龙）。1)聋D堪S1倒8S块20的特箱性及烧引脚单线藏接口仍，仅灯需一迹根口沫线与MC拉U相连洞，无犬需外欢围元笔件；茶由数刺据线莲提供娇电源慌；测贞温范羞围为-5马5～12孩5舟℃，精夏度为0兽5抹℃（-1热0～85亦℃范围塘内）塔；9位温翼度读尸数；坝温度怕转换难时间域最长蒜为75除0馆ms；用虚户可傲自设谢定温妙度报苦警上钻下限江，其学值是忍非易熟失性寄的；坟报警线搜索抵命令赏可识弊别哪花片DS餐18费S2符0超温敞度界尺限。DS单18浙S2培0采用3脚PR球35封装姨（或8脚SO纷IC封装锯）。谅图中GN盲D为地匀，DQ为数购据输逐入/输出厅脚（匪单线勿接口览，可沉作寄宪生供匠电）肿，VD赵D为电唉源电永压。DS眉18盖S2愤0的引症脚排邮列2)辰D男S1歼8S智20的内闻部结子构DS膏18收S2辜0主要踩包括抗寄生失电源塌、温斯度传铁感器贝、64位激凤光RO子M单线昌接口探、存妹放中尊间数旷据的乏高速样暂存驶器（随内含飘便笺叨式RA英M）、漆用于告存储呼用户钥设定饥的温群度上圆下限候值TH和TL的触阳发器辰、存蚀储与咏控制快逻辑并、8位循馆环冗显余校潜验码齿（CR释C）发乱生器8部分絮。DS趴18及S2粘0既可文以采族用寄组生供工电，赠也可誓以采泥用外帝部5认V电源末供电朗。寄衔生供忆电时阅，当化总线愤上是堪高电牺平时鱼，DS铺18所S2爆0从总喇线上吴获得鸦能量呜并储那存在院内部咱电容播上。返当总咸线上且是低盘电平泉时，膊由电股容向DS熄18驼S2好0供电复。图8－20盼DS厚18北S2晨0内部斥结构宝图DS落18客S2衣0的测泰温原恐理是监：哀内部桐计数大器对戚一个面受温困度影冰响的默振荡堤器计蓝数。温度招表示裙值应忧为9位，晶高位粪为符犁号位俩，但伴因符杂号位骂扩展撞成高8位，蹦故以16位补蚂码形乔式读凯出，刺温度肠与数呀字量否的关杯系如漠表8－2所列旧。3）捡温度岭巡回默检测异系统池电路采用井寄生饭电源脾供电碌方式做。为保才证在巴有效奏的DS走18纷S2哨0周期婆内提远供足火够的唱电流唯，用税一个MO崇SF沾ET管和89愧C5易1的一液个I/忠O口线柜（P1借.0）来万完成咏对DS矛18缺S2威0总线呀的上刚拉。采用浊寄生具电源华供电未时，VD遮D必须挤接地于。在此爽系统背中采增用89介C5沿1的P1朋.1口作绪发送感口Tx，P1烫.2口作懒接收算口Rx。实验念发现核这种拉方法倒可接浇数十续片DS鉴18议S2枯0，距笼离可斯达50鉴m；而则用1根口姿线（槐如图82兴1所示奏）时被，仅合能挂金接10片DS则18碎S2部0，距贪离仅怜为20善m以内资，同动时由斩于读/写在哗操作构上是反分开塔的，师故不泳存在天信号卧竞争模问题甘。4）顽工作虏过程89菊C5哑1首先为发复嘴位DS煤18号S2小0的负邪脉冲哥，接妈着收DS嗽18跌S2杂0的回食应脉慰冲，唇这时89绘C5估1再发RO田M命令晨（33谎H），摘最后粪发存扔储和丸控制兔命令扰。（1）DS圈18埋S2降0记RO钻M命令主机皆操作RO估M的命杯令有5种，盐如表8－3所列扭。64位激劝光RO滋M的结魄构如爷下：开始8位是北产品逢类型行编号蓄（DS导18柱S2赏0为10境H）；铜接着辱是每遮个器畅件的常惟一紫序号顽，共汉有48位；撇最后8位是视前56位的CR阻C校验澡码，允这也大是多俘个DS耍18芹S2吐0可以紫采用阳一线演的原散因。（2）DS项18勒S2晚0存储匙控制摔命令DS壁18阅S2袭0存储潮控制扶命令宾共有6种，笋如表8－4所列另。DS环18赠S2丝式0的存授储器厅由便点笺式RA乘M和非盖易失虑性电持擦写EE今RA邮M组成威，后捏者用灶于存壮储TH和TL值。数据伴先写啊入RA殖M，经摩校验肢后再昂传给EE子RA籍M。便笺万式RA超M占9字节辰，包鸦括温罪度信丹息（轨第1、2字节由）、TH、TL值（砌第3、4字节机）、辣计数逃寄存暮器（症第7、8字节暮）、CR珍C（第9字节齿）等堵，第5、6字节毒不用绳。（3）DS纱18绒S2蹦0的执惠行序政列①佛初始厕化（复发一绞个不毙少于48建0μs的低耐脉冲伙）；②鼠执累行RO融M命令伏，主着要用谜于定符位；③逆执枝行DS及18讲S2快0的存珍储控鼠制命取令，党用于谢转换园和读谨数据凳；④DS昨18你S2颠0的I/愁O信号梁有复量位脉叙冲、沫回应落脉冲桑、写0、读0、写1和读1等几蜘种。就除回奸应脉使冲由DS掘18雹S2区0发出晋外，垫其余毛都由斧主机违发出胜。图8－22程序烂框图9.蹄2.据3逐次只逼近吩型并币行输违出Ａ圆／Ｄ晃转换持器及书接口AD殖C0潮80自9征A妹/D转换句器芯洲片,由8路模备拟开披关、8位A／Ｄ垮转换龙器、侦三态速输出秃锁存粮器以舍及地惩址锁魂存译龟码器秆等组龄成。㈠．道芯片吩功能僚与结去构A／D分辨勤力：8位内置贡多路豆开关泪，允裂许对8路模晃拟量检分时权转换欠；自带辽微机芹总线搏接口坦；最高询转换炼速度10纯0μ厌S／次驶；内部负结构知如图贞所示使。㈡．醋引脚爱功能IN巩0－IN材7：8通道希模拟资信号嫁输入D0－D7：8位数剥字量教输出AD照DC、AD绩DB、AD沈DC：通盗道选矩择，00种0－11苍1对应克于IN昌0－IN覆7AL萌E：圆通道详地址榴锁存奶，正素脉冲播输入ST疮AR借T：茄启动蚊信号惰，正丈脉冲积输入EO农C：喘转换路结束蹲，转朱换开局始后EO道C＝0，转盐换结类束时EO婚C＝1OE：咽输痕出允则许控撒制CL日K：晒转换针时钟熔信号伟，典流型值64止0KVR屋EF（＋估）、VR贫EF繁㈠：A／D参考使电压VI溪N独=浴VR搞EF（D7诊—D劝0）/2庭56；（D7山—D傻0）=晓00随H—第FF勿HVC而C、GN回D：乎电直源电摩压+5－+1笔5V㈢．嘉工作庙时序AL啄E＝1：AD甲DA－AD梨DC进入AL奸E＝0；AD苏DA－AD恋DC锁存ST宁AR洁T：上邻升沿由使A／D内部尝复位叠，下皱降沿寇启动A/陈D（一拉般ST唤AR盼T可兼偷作AL居E信号纠使用衣）EO锈C：转恭换开扩始后掌为0，结造束时股为1OE：高高电平提使片纳内数西据输鼻出，疏低电黎平数淋据线行为高弓阻图9-六28侧AD适C0说80朽9的时家序图2、AD配C0具80滴9与89椒C5阵1接口AD宪C0握80灯9与89暖C5称1连接香可采蛙用查贝询方品式，政也可盆采用告中断毁方式饼。图9-标29为中偶断方趣式连林接电弟路图肠。由办于AD券C0感80搭9片内扰有三翻态输风出锁矩存器通，因焰此可腐直接叔与89银C5虫1接口愈。08剥09与80坊51接口跪（总五线型艘）AD维DA－AD视DC：塔连抗至A0－A2DO－D7：惰接参数据偏总线ST倍AR政T、AL远E：帽由P2矛.7、WR陪“或非突”产晌生例：樱启动丽通道0转换MO蝇V吧D科PT抬R，＃7F破F8枣HMO亮VX报@御DP馋TR，AP2楼.7＝0，WR＝0，AL脸E＝ST恐AT壳R＝1，通胸道地工址进倒入，A／D复位婆。P2劲.7＝0，WR＝1，AL秃E＝ST勇AR示T＝0，通樱道地莫址锁毅存，A／D启动呜。EO东C：捕通过汽非门邮接IN呆T1，转汉换结此束时明产生披中断傻，OE：垦由P2报.7和RD通过劳“或踩非”蒙门产农生，卵“读景”A／D例：MO床VX驰A，@D趁PT榨R（DP帅TR＝7F渠F8警H）P2谜.7秤=0，RD＝0，OE＝1，D0－D7厦→数据贷总线被，被CP辟U读取哨。CL治K：由AL伶E通过沿分频呀产生善，亦崖可单篮独提运供时夸钟。VR狼EF（＋宰）、VR坊EF探㈠：参全考电冤压(一般宽为+5侍V)9.绢3系统守后向慌通道诊配置跌及接表口技嚷术后向隆通道普是计宅算机桶实现爆控制卫运算姿处理缎后，感对被落控对抖象的苍输出策通道宁接口另。系统燃的后榆向通柜道是哈一个叉输出啊通道迫，其间特点避是弱缩慧电控际制强把电，像即小介信号沉输出步实现饰大功肆率控蜡制。侍常见役的被产控对睡象有摧电机讲、电阁磁开飞关等艘。单片耐机实窑现控贵制是馒以数增字信兴号或胆模拟触信号身的形录式通傅过Ｉ披／Ｏ朵口送亩给被竟控对迁象的鹊。其覆中，借数字脊信号弊形态涂的开旋关量固、二纸进制轮数字脂量和原频率砌量可东直接恰用于绩开关语量、渣数字朵量系票统及腹频率芬调制艺系统雅的控剃制；位但对愿于一纵些模否拟量昨控制街系统同，则怒应通雨过Ｄ脚／Ａ该转换本器转展换成撕模拟毯量控己制信动号后倍，才晕能实绑现控蔽制。9.漫3.吐1后向纱通道晕中的闷功率册开关斯器件御及接非口1.继电狸器及典接口1)单片呼机与茫继电州器的婶接口一个塑典型妄的继兴电器曾与单溜片机路的接槐口电崭路如抢图所拔示。2.光电花耦合充器(隔离溪器)件及锤驱动愧接口为防坚止干叮扰窜沈入和袄保证拼系统第的安天全，哈常常找采用圾光电莫耦合器,用以弱实现谊信号符的传利输,同时鸦又可愉将系蝴统与菠现场轨隔离拐开。晶体贝管输刮出型棉光电摸耦合筝器的本受光杨器是胡光电紧晶体浪管，劫如图9-宏36所示终。图9-烧36光电壶耦合奖器4N惨25的接吗口电音路3.光电毙耦合拦驱动宣晶闸遭管(可控玻硅)功率释开关怖及接泛口下图厅是4N涉40和MO迁C3国04枝1的接场口驱附动电库路。4N郊40是常依用的趴单向羞晶闸菜管输泉出型死光电祸耦合乒器，你也称毯固态痛继电遇器。MO愁C3鼻04喘1是常鲜用的招双向眯晶闸知管输但出的爹光电房诚耦合什器(固态帆继电秤器)。9.稠3.笨3并行扮输入裳Ｄ／蚁Ａ芯赔片及坑接口食技术1.并行瞧输入喘Ｄ／宣Ａ转纷换芯浮片——毯DA易C0锡83鲜2主要预由两沙个8位寄钓存器路和一旱个8位Ｄ凶／Ａ普转换秤器组唯成。1)突D览AC幻玉08光32引脚痰功能D0～D7：数盘字量疼数据膝输入宴线。IL锁E：获数据剃锁存衣允许他信号超，高桂电平扯有效迹。CS：锻输入肤寄存辅器选颠择信叮号，以低电才平有峰效。WR抱1：腊输入费寄存胁器的荣“写态”选魂通信灭号，广低电懂平有精效。XF协ER：绩数据绿转移起控制涂信号顺线，假低电膛平有孟效。WR拔2：DA纯C寄存泪器的旅“写纸”选戒通信转号。VRE盐F：屯基准面电压援输入饭线。RFB：伞反馈迎信号司输入碧线，赠芯片躲内已差有反抹馈电职阻。IOU庸T1和IOU赌T2：迎电流蚁输出颠线。IOU霞T1与IOU更T2的和谜为常栏数，IOU膜T1随DA晕C寄存抖器的照内容飞线性捆变化丝式。一躬般在踢单极宣性输蚀出时隙，IOU林T2接地翅；在榜双极岔性输孙出时则，接杂运放礼。VCC：唐工作扔电源喘。DG警ND：矮数字粘地。辨AG隆ND：固模拟售信号东地。2)礼DA御C0爽83股2特性主要雪的特驼性参神数如泊下：分辨涝率为8位。只需言在满祖量程助下调陷整其他线性身度。可与挥所有好的单哪片机尘或微膜处理蜂器直躺接接幕口，叮需要配时亦荒可不耐与微什处理的器连岛接而分单独船使用凝。电流歌稳定改时间呀为1笛μｓ。可双牌缓冲近、单厦缓冲钢或直柜通数绳据输弄入。功耗垃低，疤约为20席0mW。逻辑忘电平拆输入昨与TT方L兼容桨。单电擦源供彼电（都＋５期～＋幻玉１５味Ｖ腊）。下面向介绍华两种息电路舒供参怒考：图9-尾44舅(a绵)是反透相电垮压输浇出电肝路，抢输出按电压虎ＶＯ蹲ＵＴ观＝－贝ｉＲ谜；图9-炎44凡(b驻)是同哈相电酱压输敬出电爷路，脉输出皂电压翠ＶＯ尚ＵＴ役＝ｉ绣Ｒ（个１＋晕Ｒ２慨／Ｒ柜１)当Ｖ郊ＲＥ突Ｆ接享＋5Ｖ(或－5Ｖ)时，迹输出快电压情范围雁是０劳～5Ｖ（脂或0～－5Ｖ)；当Ｖ印ＲＥ裙Ｆ接抢＋１0Ｖ(或－咏１０樱Ｖ）匠时,输出们电压锐是０四～１0Ｖ(或０扎～－糕１0V廉)1)直通捐式工瞧作方疼式应保用图9-樱45所示万为直愚通式偿工作固方式京的连限接方怜法。自输入垃到DA也C0定83草2的D0～D7数据秋不经柳控制内直达8位D/极A转换迅器。当DA某C0嫩83泰2的/ＣＳ养脚有嘉效(低电涂平)或/ＣＳ剧与Ｗ惑Ｒ１争直接层接地体时，眨数据脏线上库的数民据字荣节直犬通Ｄ/Ａ转略换器射转换费并输邀出.图9-武45储D请AC拘08哪32直通缓式电外压输纳出电下路这种素方式月下，斧将二损级寄摊存器挤的控钉制信介号并餐接，拣输入腐数据镇在控赠制信掉号作致用下注（一顷次控辆制，古一次坦缓冲驰），延直接胁打入8位DA趁C寄存侄器中敌并进满入8位D/粱A转换脾器进碎行D/倘A转换知。当执竖行写沃指令离时，DA驳C0览83督2相应罩的控腿制信连号时甚序如鲁图9-爹47所示杀。图9－46一路D/奖A输出引连线验图（辟单路饥模拟赚量输愚出）①土产生必锯齿