单片机技术与项目训练 课件 第9章 单片机串行总线通信设计

单片机串行总线通信设计第9章在单片机的通信技术中，串行通信扮演着重要的角色。除串口数据通信之外，单片机与外部的通信还有常用的I2C总线、SPI总线等，它们都是标准的串行总线通信技术，有的单片机内部已经包含了这些接口硬件设计。然而，也有很多芯片、设备并不具备标准的串行总线接口，而是提供了接口的协议和控制时序，需要单片机通过I/O口来模拟产生时序逻辑控制脉冲对这些设备进行读/写控制。引言目录单片机I/O口时序控制方法1DS18B20数字温度传感器通信2本章小结6项目训练一：温度采集系统设计3项目训练二：精准数字钟设计5行业PPT模板/hangye/DS1302时钟芯片通信49.1单片机I/O时序控制方法9.1.1并行转串行单片机内部的存储数据通常以字节为单位，而单片机与外围设备的通信需要通过I/O口将单片机内部的字节数据发送出来，这就需要经过并行到串行的数据转换，把8位数据按位展开，一位接一位地把数据顺序传送出去，即把并行数据转为串行数据。在通信接口的设计中，除需要一根数据线外，通常还需要一根时钟线（并不是必需的）作为数据的时间基准。9.1.1并行转串行图1一种并行转串行的时序9.1.1并行转串行1时钟输出

时钟的波形是一个方波，方波的输出在第5章介绍过，可以用定时器来实现。但是这里的方波需要和数据输出进行配合，定时器的输出方式不适合这样的操作。因此，可以采用延时的方式来实现，延时的时间根据时序参数的要求设定即可。2串行数据的输出串行数据的输出是重点，它是把1字节的数据变为8位的数据顺序输出，需要用到的算法如下。设要传输的数据为0x56，其二进制数是01010110，要把这些二进制数由低位到高位拆分出来，需要用到与运算和移位运算。算法解释如下。（1）把数据和0x01进行与运算（2）把数据右移一位，得到00101011，再和00000001进行与算法，得到00000001，把它送到I/O口，I/O口上得到的数据为“1”。（3）以此类推，最后即可把一字节的数据按位拆开送到I/O口，从而实现数据由并行转串行的操作。程序算法通过一条语句来实现：

DATA=(send_data>>i)&0x1; //i从0到7递增9.1.1并行转串行3合并操作把时钟产生和串行数据输出合并在一起，就可以实现类似图1的时序控制要求，即先把时钟置1（初始为0），产生上升沿脉冲并延时；然后做与运算和移位运算和与运算，把结果输出并延时；最后把时钟置0，并延时，延时的时间根据实际要求而定。主要的算法示例程序如下：for(i=0;i<8;i++){ CLK=1;//时钟上升沿延时; DATA=(send_data>>i)&0x1; //将send_data的第i位赋DATA

延时; CLK=0; //时钟下降沿 延时;}9.1.2串行转并行1时钟上升沿检测程序中是通过while(1)来循环检测CLK的状态的，当检测到上一次的CLK的状态clk_history为0，并且当前的CLK状态clk_get为1时，即认为检测到一个时钟上升沿。while(1){ clk_get=CLK; //在一次while循环中，只采样一次CLK端口

if((clk_history==0)&&(clk_get==1)) //时钟上升沿

{...（略）//起始位检测及有效数据的读取

} clk_history=clk_get;}后面的起始位检测及有效数据的读取均在检测到时钟上升沿时进行。9.1.2串行转并行2起始位检测使用一个关键变量state来表示单片机程序当前的工作状态，当state为0时，表示当前处于起始位检测状态；当state为1时，表示当前处于有效数据的读取状态。state的初始值为0，当检测到CLK上升沿有效且DATA的数据为0时，认为检测到起始位，将state置1。9.1.2串行转并行3有效数据读取当state为1时，进行有效数据的读取。通过变量cnt来表示当前读取的串行数据位是接收数据data_receive的第几位，cnt的数值为0～7。从I/O口读进来的数据是一个接一个的二进制数，需要把它们组合到一起，形成1字节的数据，这里需要用到左移和或运算。算法原理是：在时钟信号CLK上升沿到来时读取一位I/O口（DATA）的数据（data_get），左移cnt（cnt初始值为0）位后，将其和存放最终结果的变量data_receive进行或运算，并将结果存放到data_receive中，依次循环执行类似操作，便可将串行的位数据组合或1字节数据。算法实现如下：data_receive|=(data_get<<cnt);当有效数据全部采集完后（CLK上升沿有效，state为1，cnt为7），将cnt置0、state置0，并将最终采集的并行数据赋给P0口显示。9.1.2串行转并行课堂练习

参考例9-1和例9-2,搭建一个并行转串行和串行转并行系统，并编写单片机程序，实现串行通信。9.2

DS18B20数字温度传感器通信9.2.1DS18B20基本知识图2DS18B20的封装与引脚DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的单总线器件（1-Wire），具有线路简单。体积小的特点。因此用它组成一个测温系统具有线路简单的优点。在一根通信线上，可以挂很多这样的数字温度传感器。而且它输出的是数字信号，与单片机接口连接非常方便，不需要经过A/D转换。9.2.1DS18B20基本知识1DS18B20产品结构特点只要求一个端口即可实现通信。其中的每个器件上都有独一无二的序列号。实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。测量温度范围为-55～+125℃。用户可以从9位到12位选择其分辨率。内部有温度上、下限

告警设置。9.2.1DS18B20基本知识2．DS18B20的4个主要的数据部件（1）64位序列号编码：可用来区分多个连接在同一总线上的DS18B20器件。（2）温度数值：最高12位，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB的形式表达，其中S为符号位，其格式如图3所示。二进制序列中的前面5位是符号位，如果测得的温度值大于0，那么这5位为0，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度；如果测得的温度值小于0，那么这5位为1，测得的数值需要取反加1再乘以0.0625，这样可得到实际温度值。图3

DS18B20的温度值格式9.2.1DS18B20基本知识（3）配置寄存器。如图4所示，该字节各位的意义：低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20是在工作模式下还是在测试模式下。在DS18B20出厂时，该位被设置为0，用户不要改动。R1和R0用来设置分辨率。图4配置寄存器数据格式9.2.1DS18B20基本知识（4）存储器。DS18B20数字温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的且可电擦除的EEPROM，高速暂存RAM由9字节组成，其分布如表1所示。寄存器内容字节地址温度值低位(LSByte)0温度值高位(MSByte)1高温限值(TH)2低温限值(TL)3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8表1DS18B20的高速暂存RAM分布9.2.1DS18B20基本知识3DS18B20控制指令（1）复位。根据DS18B20的通信协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤。①每次读/写前都要对DS18B20进行复位操作。②复位成功后发送一条ROM指令。③发送RAM指令。9.2.1DS18B20基本知识（2）写时序voidWR_Bit(biti){DQ=0; //总线拉低，产生写时序_nop_();_nop_(); //总线拉低持续时间要长于1μsDQ=i; //写数据delayxus15(3); //延时45μs，等待DS18B20采样读取DQ=1; //拉高释放总线}图5DS18B20写操作时序9.2.1DS18B20基本知识（3）读时序unsignedcharRead_Bit(){unsignedcharreadb;DQ=0; //拉低总线_nop_();_nop_();DQ=1; //释放总线_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();readb=DQ; //读时隙产生7μs后读取总线数据

delayxus15(3); //延时45μs，满足读时隙的时间要求

DQ=1; //释放总线

returnreadb; //返回读取的数据}9.2.1DS18B20基本知识图6DS18B20读操作时序9.2.2单片机与计算机的串行通信虚拟串口软件VSPD图7虚拟串口软件界面9.3项目训练一：温度采集系统设计9.3.1项目要求利用数字温度传感器DS18B20实现温度的采集，并将采集的数据发送给计算机，要求每秒传送一次。计算机可以根据不同的温度情况对单片机进行控制，从而实现计算机和单片机的通信与控制。要求利用Proteus仿真软件来模拟实现。9.3.2项目分析温度采集系统包含数字温度传感器DS18B20，单片机将DS18B20采集的温度数据发送给计算机，要求每秒种传送一次。这里的每秒可以用软件延时来实现，也可以用硬件延时来实现，这里采用软件延时来实现。单片机通过串口与计算机进行通信时，需要注意双方串口的模式及波特率要一致，可考虑将单片机串口设置为工作方式1，波特率为2400bit/s。计算机通过串口对单片机进行控制，可以采用LED显示出来。9.3.3原理图设计图8

温度采集系统电路原理图9.3.4编写单片机与计算机串行通信的程序图9软件总体流程9.3.5调试程序图10

COMPIN属性设置打开串口调试助手，修改串口为COM1，波特率为2400bit/s，无奇偶校验位，数据位8位，停止位为1位，如图10所示。用Proteus打开仿真电路文件，先设置AT89C51的属性，晶振为12MHz。打开串口COMPIN的属性对话框，Physicalport选择COM2，波特率为2400，校验位为None，数据位8，停止位为l。如果需要用到波特率9600bit/s，则需要将晶振改为11.0592MHz。9.4DS1302时钟芯片通信9.4.1DS1302基本知识DS1302是DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V。它采用三线接口与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31×8字节的用于临时存放数据的RAM。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。图11

DS1302的引脚功能图和应用电路图9.4.2DS1302的控制字节DS1302的控制字节如图12所示。控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302。位6如果为0，则表示存取日历时钟数据；为1表示存取RAM数据。位5至位1指示操作单元的地址。最低有效位（位0）如果为0，则表示要进行写操作；为1表示进行读操作。控制字节总是从最低位开始输出的。图12

DS1302的控制字节9.4.3DS1302的寄存器READWRITEBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0RANGE81

H80HCH10SecondsSeconds00～5983H82H

10MinutesMinutes00～5985H84H0:241:12010HourHour1～12/0～230:AM1:PM87H86H0010DateDate1～3189H88H00010MonthMonth1～128BH8AH00000Day1～78DH8CH10YearYear00～998FH8EHWP0000000—91H90HTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS—表2DS1302的寄存器9.4.4DS1302的读写时序图13

DS1302的读写时序9.5项目训练二：精准数字钟设计9.5.1项目要求与项目分析利用单片机读取DS1302的时钟数据，并将其时、分、秒数据显示在8位数码管上。单片机通过SPI接口与DS1302时钟芯片进行通信，由于8051单片机片内部没有SPI硬件接口，所以需要通过I/O口模拟来实现SPI时序。数字钟需要将其时、分、秒数据显示在8位数码管上，一般采用的是动态扫描显示方法。9.5.2原理图设计图14

精准数字钟电路图9.5.3编写精准数字钟的程序voidDs1302Write(ucharaddr,uchardat){ ucharn; CE=0; _nop_(); SCLK=0;//将SCLK置低电平

_nop_(); CE=1;//将CE（CE）置高电平

_nop_(); for(n=0;n<8;n++)//开始传送8位地址指令

{ DSIO=addr&0x01;//数据从低位开始传送

addr>>=1; SCLK=1;//数据在上升沿时，DS1302读取数据

_nop_();SCLK=0;_nop_(); } for(n=0;n<8;n++) //写入8位数据

{ DSIO=dat&0x01; dat>>=1; SCLK=1; //数据在上升沿时，DS1302读取数据

_nop_(); SCLK=0; _nop_(); }

CE=0; //传送数据结束

_nop_();}1向DS1302写指令（地址+数据）9.5.3编写精准数字钟的程序ucharDs1302Read(ucharaddr){ ucharn,dat,dat1; CE=0; _nop_(); SCLK=0;//将SCLK置低电平

_nop_(); CE=1; //将CE（CE）置高电平

_nop_(); for(n=0;n<8;n++)//开始传送8位地址指令

{ DSIO=addr&0x01;//数据从低位开始传送

addr>>=1;SCLK=1; //数据在上升沿时，DS1302读数据

nop_(); SCLK=0; //DS1302下降沿时，放置数据

_nop_(); } _nop_(); for(n=0;n<8;n++) //读取8位数据

{ dat1=DSIO; //