单片机串行扩展

单片机串行扩展第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第1页。单片机系统扩展方法有并行扩展和串行扩展法。

并行扩展是指利用单片机的三总线（AB、DB、CB）进行的系统扩展（见第五部分）；

串行扩展是指利用SPI三总线、I²C双总线、单总线等进行的串行系统扩展。§6.1概述缺点：速度慢，在需要高速的场合要用并行扩展。

优点：串行接口器件体积小；与单片机接口的I/O口线少。串行扩展的特点：第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第2页。

在器件之间采用两根信号线（SDL,SCL）进行信息传送并允许若干兼容器件共享的数据总线，称为I²C总线。

SDA传输双向的数据；SCL线用来传输时钟信号，用来同步串行数据线上的数据。

一、I²C公用双总线结构（飞利浦公司）挂接在I²C总线的器件，根据功能可分为：主控器件和从控器件。主控器件：控制总线存取，产生串行时钟信号，并产生启动传送及结束传送的器件，总线必须有一个主控器件。从控器件：在总线上被主控器件寻址的器件，它们根据主控器件的命令来接收和发送数据。§6.2串行扩展概述第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第3页。VCCSDASCLI2C芯片1#I2C芯片N#第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第4页。

多个器件之间连接使数据线SDA为“与”的关系，即只要其中一个器件输出0，即可使SDA数据线为0。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第5页。在有多个器件组成的I2C总线系统中，可能存在多个主器件。因此，I2C总线系统是一个允许多主的系统。I2C数据传输协议：只有当总线不忙时（SDA与SCL均为高电平），数据传输才开始；数据传输期间，无论何时串行时钟线为高，串行数据线必须保持稳定；当串行时钟线为高时，串行数据线将认为此时传送的开始或停止。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第6页。I2C总线定义的总线条件有：1.总线不忙：2.开始传输数据：3.停止传输数据：SCL和SDA保持高电平。在SCL＝1时，SDA发生一个高到底的跳变。在SCL＝1时，SDA发生一个低到高的跳变。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第7页。4.数据有效：SCL保持高电平期间，当SDA稳定后，串行数据线的状态表示数据线是有效的。5.数据变化：SCL保持低电平期间，SDA数据线的状态才可以发生变化。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第8页。在I2C总线上传输的数据有两种方式：主发送从接收、从发送主接收。它们是由起始信号后的第一个字节的最低位决定。1表示主器件读数据，0表示主器件写数据）。主发送从接收（主器件为写数据）：主器件产生起始信号后，发送的第一个字节为从地址（该地址的前7位字节为从器件的片选信号，最低位决定数据的传输方向位）此时该位是0。从器件每接收一个数据字节后，都返回一个应答信号（ASK=0）第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第9页。从发送主接收（主器件为读数据）：从器件在接收到主器件发送的从地址和为1的方向位后，返回一个应答信号（ASK=0）,接着从器件发送数据到主器件，主器件每接收一个数据字节后，都返回一个应答信号（ASK=0）：在接收从器件最后一个字节后，主器件发送一个非应答信号（ASK=1），终止从器件继续发送。从器件发送的数据可以是单字节，也可以是一串数据。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第10页。主控器的时钟输出S应答起始信号用于应答信号的时钟脉冲1289主发送器的数据输出从发送器的数据输出非应答第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第11页。（1）A0、A1、A2：片选或页面选择地址输入。1、二线制I2CE2PROMAT24CXX系列的扩展AT24C01(A)/02/04/08/16E2ROM存储器都是8个引脚。存储容量为1K/2K/4K/8K/16Kbits。（2）GND：地线。§6.3单片机的外部串行扩展

一、串行扩展E2PROMAT24C01(A)/02/04/08/16的封装形式第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第12页。AT24C04与单片机的扩展模拟实现I2C接口（3）SDA：串行数据（/地址）I/O端，用于串行数据的输入/输出。（4）SCL：串行时钟输入端，用于输入/输出数据的同步。（5）WP：写保护，用于硬件数据的保护。（6）VCC：电源电压，接+5V。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第13页。AT24CXXSDA和SCL时钟关系AT24CXX启动和停止信号

应答信号第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第14页。AT24CXX立即地址读其中：1010为EEPROM的编码；XXX为AT24CXX的地址编号。在I2C总线上最多可以连接8个AT24C01/02，4个AT24C04，2个AT24C08，1个AT24C16。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第15页。AT24CXX立即地址读AT24CXX随机读第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第16页。AT24CXX顺序读AT24C01(A)/02/04/08/16字节写AT24C01(A)/02/04/08/16页面写第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第17页。START:;开始位;传入参数：无;返回值：无

SETB SDA SETB SCL NOP NOP CLR SDA NOP NOP NOP NOP CLR SCL RET STOP:;停止位;传入参数：无;返回值：无

CLR SDA NOP NOP SETB SCL NOP NOP NOP NOP SETB SDANOP RET 第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第18页。SHIN:;从AT24Cxx移入数据到MCU;传入参数：无;返回值：R7---移入的数据

USING 0 CLR A MOV R6,ASHIN_LP: SETB SCL MOV A,R7 ADD A,ACC MOV R7,A MOV C,SDA CLR A RLC A ORL AR7,A CLR SCL INC R6 CJNER6,#08H,SHIN_LP ;共8位，判断是否完成

RET SHOUT:;从MCU移出数据到AT24Cxx;传入参数：R7---要移出的数据;返回值：C---AT24Cxx的应答位

USING 0 CLR A MOV R6,ASHOUT_LP: MOV A,R7;循环移入8个位 RLC A MOV SDA,C NOP SETB SCL NOP NOP CLR SCL MOV A,R7 ADD A,ACC MOV R7,A INC R6 CJNE R6,#08H,SHOUT_LP ;共8位，判断是否完成

SETB SDA;读取应答

NOP NOP SETB SCL NOP NOP NOP MOV C,SDA;保存应答位到C CLR SCL RET第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第19页。READ_RANDOM:;在指定地址读取;传入参数：R7---地址;返回值：R7---读入的数据

USING 0 MOV R5,AR7 ;暂存地址

LCALL START MOV R7,#OP_WRITE ;写入器件地址和写入命令

LCALL SHOUT MOV R7,AR5 ;写入地址

LCALL SHOUT LCALL READ_CURRENT ;在当前地址读取

RET READ_CURRENT:;在当前地址读取;传入参数：无;返回值：R7---读出的数据

USING 0 LCALL START MOV R7,#OP_READ ;写入器件地址和读取命令

LCALL SHOUT

LCALL SHIN ;读取数据，保存在R7 LCALL STOP RET 第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第20页。WRITE_BYTE:;在指定地址写入数据;传入参数：R7---写入数据的地址;传入参数：R5---要写入的数据;返回值：无

USING 0 MOV R4,AR7 LCALL START MOV R7,#OP_WRITE ;写入器件地址和写命令

LCALL SHOUT

MOV R7,AR4 ;地址

LCALL SHOUT

MOV R7,AR5 ;数据

LCALL SHOUT

LCALL STOP MOV R7,#10 ;写入周期,延时10ms LCALL DELAYMS第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第21页。2、利用SPI扩展E2PROMSPI是三线总线结构的一个同步外围接口，允许单片机与各种外围设备以串行方式进行通讯。特点：

主从机工作方式；可程控的主机位传送频率、时钟极性和相位；发送完成中断标志；写冲突保护标志。全双工、三线同步传送；第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第22页。

在SPI设置为主机方式时，MISO是主机的数据输入线，MOSI是主机的数据输出线；设置为从机时，MISO是从机的数据输出线，MOSI是从机的数据输入线。

（1）、串行数据线（MISO，MOSI）主机输入/从机输出数据线MISO和主机输出/从机输入数据线MOSI，用于串行数据的发送和接收。数据发送时，先传高位，后传低位。

（2）、串行时钟线SCLK

串行时钟线用于同步从MISO和MOSI引脚输入和输出的数据的传输。在SPI设置为主机方式时，SCLK为输出；设置为从机方式时，SCLK为输入。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第23页。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第24页。（3）、从机选择/SS在从机方式时，/SS脚是输入端，用于使能SPI从机进行数据传送；在主机方式时/SS一般为高电平。高位数据低位数据第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第25页。

1）串行E2PROM的特点及引脚

93C46是64×16位串行存取的电擦除可编程只读存储器。特点：在线改写数据和自动擦除功能；调电数据不丢失；输入、输出与TTL兼容；片内可产生擦除和写入时的电压；片内有控制和定时发生器；具有整体编程允许和截至功能。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第26页。CS:片选信号。高电平有效。用CS下降沿启动片内定时器，开始读写操作。启动后，与CS信号上电平无关。CLK：串行数据时钟信号输入端。频率位0～250KHZ。DI：串行数据输入端。DO：串行数据输出端。擦除时，DO引脚可作为擦写状态指示，即忙闲信号。ORG：结构端。当接到VCC或悬空时，芯片为16位存储器结构；接到VSS时，选择8位存储器结构。在时钟频率低于1MHZ，ORG悬空。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第27页。

2）指令系统：读指令，写指令，擦除指令，擦除整片存储器指令，写整个存储器指令，擦写允许指令

第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第28页。读指令时序写指令时序第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第29页。擦除指令时序擦除整片指令时序第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第30页。

3）与单片机的接口取反目的是双向传输数据片选1，读入数据；0操作码、地址、数据进入C46第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第31页。二、串行扩展I/O口

1、利用SPI扩展I/O口

（1）

扩展并行输出口第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第32页。（2）扩展并行输入口

第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第33页。2、利用I2C扩展I/O口

（1）PCF8574是一种CMOS电路，具有I2C接口和8位准双向口。它在I2C总线中仅作从器件。具有低的电流损耗，具有中断逻辑线。3只硬件地址引脚最多挂接8个PCF8574。

SDA：串行数据线，双向SCL：串行时钟线，输入P7~P0：8位准双向口。上电复位为高电平。在做输入时，应置高电平。A0~A2：地址输入线/INT：中断输出，低电平有效第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第34页。（2）PCF8574的寻址方式及操作控制字节和器件寻址

读，写应答开始信号控制字节选中某一片（a）为PCF8574器件控制字节，（b）为PCF8474A控制字节第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第35页。读操作

写操作

第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第36页。（3）PCF8574应用和编程

作扩展8位输入口

A0，A1，A2接地了第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第37页。扩展8位输出口

输出显示A0，A1，A2接地了第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第38页。作扩展4位输入和4位输出口。

中断悬空输入开关量输出显示第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第39页。TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，通过SPI接口与单片机连接，从CLK输入的频率最高可达1.1MHz。

1、8位串行A/D转换器TLC549TLC549具有4MHz的片内系统时钟，片内具有采样保持电路，A/D转换时间最长17μs，最高转换速率为40000次/s。

TLC549的电源范围为+3V~+6V，功耗小于15Mw,总失调误差最大为±0.5LSB，适用于电池供电的便携式仪表及低成本高性能的系统中。三、串行扩展A/D、D/A等第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第40页。

REF+：正基准电压输入端，2.5V≤REF+≤VCC+0.1V。

(1)、引脚功能

REF-：负基准电压输入端，

-0.1V≤REF-≤2.5V，且要求REF+－REF-≥1V。在要求不高时，也可将REF-接地，REF+接VCC。

AIN：模拟信号输入端，0≤AIN≤VCC，当AIN≥REF+时，转换结果为全"1"(FFH)，AIN≤REF-时，转换结果为全“０”（00H）。/CS：芯片选择输入端，低电平有效。DO：数据串行输出端，输出时高位在前，低位在后。

CLK：外部时钟输入端，最高频率可达1.1MHz。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第41页。(2)、TLC549的时序

当/CS变为低电平时，TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB(A7)自DO端输出；

接着自CLK端输入８个外部时钟信号，前７个CLK信号是配合TLC549输出上次转换结果的A6-A0７位，并为本次转换做准备：

在第４个CLK信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第８个CLK信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动A/D开始转换。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第42页。

转换时间为36个系统时钟周期，最大为17uS。A/D转换完成前的这段时间内，TLC549的控制逻辑要求：或者/CS保持高电平，或者CLK时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。

由此可见，在TLC549的CLK端输入８个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次A/D转换。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第43页。

利用TLC549转换器设计一个简易数字电压表，用4位LED显示器将被测电压显示出来。

将TLC549的/CS、CLK、DO接到单片机的三条I/O口线，REF+、REF-直接接到Vcc、GND，模拟输入AIN接电位器的中心抽头，调节电位器即可改变被测输入电压值。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第44页。sbitCLK=P1^1;//时钟sbitDO=P1^2;//数据输出sbitCS=P1^0;//片选信号ucharTLC549_ADC(void){

uchari,tmp;

CS=1;CLK=0;

CS=0;_nop_();

_nop_();for(i=0;i<8;i++){

tmp<<=1;

tmp|=DO;

CLK=1;_nop_();CLK=0;

}

CS=1;for(i=17;i!=0;i--)_nop_();return(tmp);

}CSBITP1.0CLOCKBITP1.1DOBITP1.2MEMEQU30HORG0050HSTAR:SETBCS;CSCLRCLOCK;CLOCKMOVR5,#00H;####################模数转换CLRCSNOP;参见datasheet的时序表NXT:MOVC,DOSETBCLOCKNOPRLCACLRCLOCKINCR5CJNER5,#8,NXTMOVR5,#00HSETBCSMOVMEM,A;转换结果放于MEM第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第45页。

1、TLC5615的内部结构和引脚功能

TLC5615是SPI接口的10位电压输出的D/A转换器，通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或单片机接口，适用于电池供电的测量仪表、移动电话以及工业控制场合。其主要特点如下：（1）5V单电源工作；（2）3线串行接口；（3）DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压；（4）上电时内部自动复位，确保可以重复启动；（5）功耗低，最大功耗为1.75mW。

二、串行D/A转换器TLC5615

第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第46页。模拟地串行二进制数输入端串行时钟输入端芯片选择,低有效菊花链的串行数据输出端（用于多芯片的级联）基准电压输入端DAC模拟电压输出端正电源电压端第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第47页。2、TLC5615的时序当/CS为低电平时，在每一个SCLK时钟的上升沿从DIN引脚移入一位数据，高位在前，低位在后。经16个时钟后，/CS的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存到10位DAC寄存器,供DAC电路进行转换。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第48页。第52页，共52页。单片机串行扩展全文共52页，当前为第49页。#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include<intrins.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;sbitCS=P3^7;/*DA片选信号*/sbitSCLK=P3^6;/*DA时钟信号*/sbitDIN=P3^5;/*数字数据输入*/

voiddelay(uintus);/*延