单片机的串行扩展技术优秀课件

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图11-5 SPI数据传送格式
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目前世界各大公司为用户提供了一系列具有SPI接口的单片机和外围接口芯片，例如Motorola公司存储器MC2814、显示驱动器MC14499和MC14489等各种芯片；美国TI公司的8位串行 A/D转换器TLC549、10位串行A/D转换器TLC1549、12位串行 A/D转换器TLC2543等。
辨率和转换时间的关系。用户可通过修改R1、R0位的编码，
获得合适的分辨率。
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由表11-1可看出，DS18B20的转换时间与分辨率有关。当设定分辨率为9位时，转换时间为93.75ms；……；当设定分辨率为12位时，转换时间为750ms。
表11-2列出了DS18B20温度转换后所得到的16位转换结果的
单总线串行扩展11单总线系统的典型应用ds18b20的温度测量系统12单总线ds18b20温度测量系统的设计i2c总线的串行扩展31i2c串行总线系统的基本结构32i2c总线的数据传送规定33at89s52的i2c总线系统扩展34i2c总线数据传送的模拟35利用i2c总线扩展e2promat24c02的ic卡设计内容概要单片机应用系统除并行扩展外1.1 单总线串行扩展
单总线也称1-Wire bus，由美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线。它只有一条数据输入/输出线DQ，总线上的所有器件都挂在DQ上，电源也通过这条信号线供给，这种只使用一条信号线的串行扩展技术，称为单总线技术。
单总线系统中配置的各种器件，由DALLAS公司提供的专用芯片实现。每个芯片都有64位ROM，厂家对每一芯片都用激光烧写编码，其中存有16位十进制编码序列号，它是器件的地址编号，确保它挂在总线上后，可唯一地被确定。

单片机原理及应用第11章串行扩展技术

DALLAS公司的单总线器件的单总线的写1、写0、读1、读0和寻址都有严格的时序规范，在每一个时序中，总线只能传输一位数据，一位数据的读取至少需要60us的时间，具体的时序内容可查询相关资料。
例如：DHT11：由瑞士sensiron司生产的单片数字温湿度集成传感器，共有三个管脚： Vcc、GND、DATA。
第十一章单片机的串行扩展技术
11.1 概述
传统的单片机扩展技术是并行总线扩展，所谓三总线（AB、DB、CB），其优点是速度快，但随着单片机扩展容量的增加和处理数据位数的增加，芯片的引脚、尺寸也随之增多和增大。导致电路板尺寸大、成本高的问题。
串行扩展技术的出现解决了上述问题，传行器件的I/O接口线少，一般1~4条，简化了器件间的连接，减小了系统的尺寸；另外，串行技术还有工作电压宽、抗干扰强、低功耗等优点；因而有很多的应用领域。
其时序图如下：
CS：
SCK：
DI/DO： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
数据的传送格式一般以高位（MSB）在前，低位（LSB）在后；根据芯片的不同，有的是SCK上升沿锁存数据，有的是下降沿锁存数据；SPI总线的数据传送速率可达几Mbit/s。
• 例如：基于SPI总线的12位串行D/A转换器DAC7512。
在SPI串行通信中，一般基于四条信号线： MISO：主机数据输入，从机数据输出； MOSI：主机数据输出，从机数据输入； SCK：主机串行时钟输出； CS：从机片选信号。
在SPI串行扩展系统中，由主器件启动一次数据传送，从SCK输出8/16个时钟周期，传送给从器件作为同步时钟，控制数据的输入或输出。一般高位（MSB）在前，低位在后，数据的输入或输出，都取决于SCK，有的SPI芯片是SCK上升沿锁存数据，有的是下降沿锁存。S来自A SPSCL

第8章单片机的串行扩展技术

一. 80C51 UART方式0的归一化子程序
3. 应用界面与操作命令在设计好UART方式0的归一化子程序UARTNO/UARTNI 后,UART方式0的串行扩展就有了归一化的应用界面。
①应用范围：单片机通过UART方式0，从片内RAM发送缓冲区/接收缓冲区发送/接收N个字节数据。 ②入口条件和出口状态：发送数据时,待发送数据放入发送缓冲区MTD中; 接收数据时,接收的数据放在接收缓冲区MRD中。
第8章单片机的串行扩展技术
§8.1 单片机的串行扩展方式 §8.2 移位寄存器的串行扩展技术 §8.3 I2C总线的串行扩展技术 §8.4 虚拟I2C总线应用实例 §8.5 虚拟单总线应用实例பைடு நூலகம்
本章要求
1、了解单片机的串行扩展方式和方法。 2、了解掌握I2C总线的串行扩展技术。 3、了解掌握虚拟I2C总线应用实例的有关电路和器件。
§8.2 移位寄存器的串行扩展技术
一. 80C51 UART方式0的归一化子程序
4. 归一化子程序简化 (3)应用指导
使用UARTO/UARTI时,界面十分简单,发送时,待发送数据装入A中;接收时,接收到的数据在A中。在使用UART方式0发送/接收一字节数据时，不必使用UARTNO/UARTNI
5. 80C51 UART的串行扩展接口 ●80C51的UART有4种工作方式,其方式0时为串行同步移位寄存器方式，RXD为串行数据输入/输出端，TXD端提供同步移位时钟脉冲。
时
钟复位 80C51 RXD TXD DATA CLK
移位寄存器串行口
外围器件
§8.1 单片机的串行扩展方式
§8.2 移位寄存器的串行扩展技术
二. 80C51 I/O口虚拟的归一化子程序

单片机系统的串行扩展

级联使用的电路连接如图7710mrmr第77章章单片机系统的串行扩展19图77974ls164内部结构图图771074ls164级联使用电路连接图第77章章单片机系统的串行扩展20723串行扩展ad转换器随着对智能化仪表微型化要求的越来越高串行ad转换器件由于具有体积小价格低占用io口线少等优点而被广泛应用
MSB为前导方式将控制字写入TLC2543的控制寄存器，每个数据位
都是在CLOCK序列的上升沿被写入控制寄存器。
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图7-3 I2C总线器件电气连接图
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I2C总线的数据传输协议要比SPI总线复杂一些，因为I2C 总线器件没有片选控制线，所以I2C总线数据传输的开始必须，由主器件产生通讯的开始条件（ SCL 高电平时， SDA 产生负跳变）；通讯结束时，由主器件产生通讯的结束条件（SCL高电平时，SDA产生正跳变）。SDA线上的数据在SCL高电平期间必须保持稳定，否则会被误认为开始条件或结束条件，只有在SCL低电平期间才能改变SDA线上的数据。图7-4为I2C总线的数据传输波形图。
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主机的SS信号有效后，选中从设备，在SCK的上升沿主机发送数据，SCK的下降沿主机接收数据。而对没有SPI功能的单片机，则时序图中的SDO和SCK的波形要由软件产生，数据的接收也要由软件来完成。
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图7-2 SPI通讯的时序图
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7.2 单片机的外部串行扩展
AT24C系列AT24C01～AT24C16芯片的存储容量最多为中读n个字节的数据格式
从AT24C系列AT24C01～AT24C16中读n个字节的数据格式：

第12章单片机的串行扩展技术

（1）起始信号（S）。在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，只有在起始信号以后，其他命令才有效。
（2）终止信号（P）。在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。随着终止信号的出现，所有外部操作都结束。
起始和终止信号都是由主器件发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号出现后，总线就处于空闲状态。起始信号和终止信号如图12-7所示。
接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其他工作（如从器件正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），不需要立刻接收下一字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主器件处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。
“1”的模拟时序如图12-10～图12-13所示。
表12-1所示为I2C总线的时序特性。表中的数据为程序模拟I2C 总线信号提供了基础。
由表可知，除了SDA、SCL线的信号下降时间为最大值外，其他参数只有最小值。这表明在I2C总线的数据传送中，可以利用时钟同步机制展宽低电平周期，迫使主器件处于等待状态，使传送速率降低。
它可以使具有I2C总线的单片机（如PHILIPS公司的8xC552 ）直接与具有I2C总线接口的各种扩展器件（如存储器、I/O口、 A/D、D/A、键盘、显示器、日历/时钟）连接。
对不带有I2C接口的单片机（如89C51）可采用普通的I/O口结合软件模拟I2C串行接口总线时序的方法，完成I2C总线的串行接口功信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线SCL，所有连接到I2C总线上器件的数据线都接到SDA线上，各器件的时钟线均接到SCL线上，系统的基本结构如图12-5所示。

51单片机学习21(串行扩展)

展总线。它只有一条数据输入/输出线DQ，总线上的所有器件都
挂在DQ上，电源也可通过这条信号线供给，称为单总线技术。各种器件，由DALLAS 公司提供的专用芯片实现。每个芯片
都有64位ROM，厂家对每一个芯片用激光烧写器件的全球唯一序
列号。这些芯片的耗电量都很小（空闲时几μW，工作时几mW），
工作时从总线上馈送电能到大电容中就可以工作，故一般不需
功能单一！
图9-21
12.2
SPI总线接口简介
P.221
SPI（Serial Peripheral Interface）是Motorola公司推出的同步串行外设接口，允许单片机与多个厂家生产的带有该接口的设备直接连接，如存储器MC2814、显示驱动器MC14499和 MC14489及其它I/O接口、A/D、D/A、键盘、日历/时钟等。使用４条线：串行时钟SCK，主器件输入/从器件输出数据线 MISO（简称SO），主器件输出/从器件输入数据线MOSI（简称 SI）和从器件选择线。 SPI系统中从器件的选通依靠其引脚，优点是数据传送软件十分简单，省去了传输时的地址选通字节。缺点是在扩展器件较多时，连线较多 SPI有较高的数据传输速度，最高可达1.05Mb/s。
GND
· ·
VCC GND
· ··
DS18B20 内部结构图
主机发复位脉冲
接收从机“存在”脉冲
写“0”
写“1”
作电压宽、抗干扰能力强、功耗
低、数据不易丢失等特点。因此，串行扩展技术在IC卡、智能仪器仪表以及分布式
控制系统等领域得到了广泛的应用。
【回顾】
P.160
9.5.2
用74LS164扩展并行输出口
74LS164：8位串入并出移位寄存器。图9-22是利用74LS164扩展二个8位并行输出口的接口电路。 . 串口方式0：每当新数据写入SBUF，即把SBUF中的8位数据以串行移出

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图12-1
这些芯片的耗电量都很小（空闲时几μW，工作时几mW），工作时从总线上馈送电能到大电容中就可以工作，故一般不需另加电源。
图12-2为一个由单总线构成的分布式温度监测系统。多个带有单总线接口的数字温度计和多个集成电路DS1820芯片都挂在 DQ总线上。单片机对每个DS1820通过总线DQ寻址。DQ为漏极开路，须加上拉电阻。
I2C总线系统允许多主器件，为避免混乱，某一时刻究竟由哪一台主器件来控制总线要通过总线仲裁来决定。读者可查阅 I2C总线的仲裁协议。当然，经常遇到的是以单片机为主器件，其他外围接口器件为从器件的单主器件情况。
图12-4 数据线上输出数据的变化以及输入数据时的采样，都取决于
SCK。但对于不同的外围芯片，有的可能是SCK的上升沿起作用，有的可能是SCK的下降沿起作用。
SPI有较高的数据传输速度，最高可达1.05Mb/s。 Motorola公司为广大用户提供了一系列具有SPI接口的单片机
和外围接口芯片，如存储器MC2814，显示驱动器MC14499和 MC14489等芯片。 SPI外围串行扩展系统的主器件是单片机，也可以不带SPI接口，但是从器件一定要有具有SPI接口。 12.3 I2C串行总线的组成及工作原理 I2C串行总线只有两条信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线SCL，所有连接到I2C总线上器件的数据线都接到SDA线上，各器件的时钟线均接到SCL线上， I2C总线系统的基本结构如图12-5所示。
它可以使具有I2C总线的单片机（如PHILIPS公司的8xC552 ）直接与具有I2C总线接口的各种扩展器件（如存储器、I/O口、 A/D、D/A、键盘、显示器、日历/时钟）连接。
对不带有I2C接口的单片机（如89C51）可采用普通的I/O口结合软件模拟I2C串行接口总线时序的方法，完成I2C总线的串行接口功能。
单片机的串行扩展技术
12.1 单总线接口简介单总线（1-Wire bus）是由DALLAS 公司推出的外围串行
扩展总线。它只有一条数据输入/输出线DQ，总线上的所有器件都挂在DQ上，电源也通过这条信号线供给，这种使用一条信号线的串行扩展技术，称为单总线技术。
各种器件，由DALLAS 公司提供的专用芯片实现。每个芯片都有64位ROM，厂家对每一个芯片用激光烧写编码，其中存有16位十进制编码序列号，它是器件的地址编号，确保它挂在总线上后，可以唯一被确定。除了器件的地址编码外，芯片内还包含收发控制和电源存储电路，如图12-1所示。
DALLAS公司为单总线的寻址及数据的传送提供了严格的时序规范，具体内容读者可查阅相关资料。
图SPI（Serial Periperal Interface）是Motorola公司推出的
同步串行外设接口，允许单片机与多个厂家生产的带有该接口的设备直接连接，以串行方式交换信息。使用４条线：串行时钟SCK，主器件输入/从器件输出数据线 MISO（简称SO），主器件输出/从器件输入数据线MOSI（简称SI）和从器件选择线。 SPI的典型应用是单主系统。该系统只有一台主器件，从器件通常是外围接口器件，如存储器、I/O接口、A/D、D/A、键盘、日历/时钟和显示驱动等。图12-3是SPI外围串行扩展结构图。
主器件可以具有I2C总线接口，也可以不带I2C总线接口。从器件可以是存储器、LED或LCD驱动器、A/D或D/A转换器、时
钟/日历器件等，从器件必须带有I2C总线接口。 I2C串行总线的SDA和SCL是双向的，带有I2C总线接口的器件的
输出端为漏级开路，故必须通过上拉电阻接正电源（见图 12-5中的两个电阻）。总线空闲时，两条线均为高电平。由于连接到总线上的器件的输出级必须是漏级或集电极开路的，只要有一个器件输出低电平，都将使总线上的信号变低。SCL线上的时钟信号对SDA
12.3.1 I2C串行总线概述
只有两条信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线SCL，所有连接到I2C总线上器件的数据线都接到SDA线上，各器件的时钟线均接到SCL线上，系统的基本结构如图12-5所示。
图12-5
I2C的运行由主器件控制，主器件是指启动数据的发送（发出起始信号）、发出时钟信号、传送结束时发出终止信号的器件。
图12-3
单片机与外围器件在时钟线SCK、数据线MISO和MOSI都是同名端相连。
扩展多个外围器件时，SPI无法通过数据线译码选择，故接口的外围器件都有片选端。在扩展单个SPI器件时，外围器件的片选端可以接地或通过I/O口控制；在扩展多个SPI器件时，单片机应分别通过I/O口线来分时选通外围器件。
线上的各器件间的数据传输起同步控制作用。SDA线上的数据起始、终止及数据的有效性均要根据SDA线上的时钟信号来判断。
标准I2C普通模式，数据的传输速率为100kb/s，高速模式可达400kb/s。
总线上扩展器件的数量不是由电流负载决定，而是由电容负载确定。I2C总线上每个节点器件的接口都有一定的等效电容，连接的器件越多，电容值越大，这会造成信号传输的延迟。总线上允许的器件数以总线上的电容量不超过400pF （通过驱动扩展可达4000pF），据此可计算出总线长度及连接器件的数量。每个连到I2C总线上的器件都有一个唯一的地址，扩展器件时同时也要受器件地址数目的限制。
在SPI串行扩展系统中，如果某一从器件只作输入（如键盘）或只作输出（如显示器）时，可省去一条数据输出（MISO）或一条数据输入（MOSI），从而构成双线系统（接地）。
SPI系统中从器件的选通依靠其引脚，数据传送软件十分简单，省去了传输时的地址选通字节。但在扩展器件较多时，连线较多。
在SPI串行扩展系统中，作为主器件的单片机在启动一次传送时，便产生8个时钟，传送给接口芯片作为同步时钟，控制数据的输入和输出。数据的传送格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后，如图12-4所示。