10 串行总线扩展技术 本章内容简介：（1）I2C总线扩展技术： I2C总线、 I2C总线 的数据传输、 I2C总线的寻址、MCS-51单片机 模拟I2C总线、 I2C总线的应用。（2）SPI总线扩展技术：SPI总线、 MCS-51 单片机模拟SPI总线及其应用。110 串行总线扩展技术采用串行总线扩展技术可以使系统的硬件设计 简化，系统的体积减小，同时，系统的更改和扩充 更为容易。串行扩展总线的应用是单片机目前发展 的一种趋势 常用的串行扩展总线有：I2C（Inter IC BUS） 总线、SPI（Serial Peripheral Interface）总线、 Microwire 总线及单总线（1-Wire BUS）。MCS-51单片机没有串行总线接口，利用其自身 的通用并行线可以模拟多种串行总线时序信号，因 此可以充分利用各种串行接口芯片资源。 210.1 I2C总线扩展技术I2C总线是Philips公司开发的一种双向两线串行总 线，以实现集成电路之间的有效控制，这种总线也称 为Inter IC 总线。目前，Philips及其它半导体厂商提供 了大量的含有I2C总线的外围接口芯片，I2C总线已成 为广泛应用的工业标准之一。标准模式下，基本的I2C总线规范的规定的数据传 输速率为100kb/s。 快速模式下，数据传输速率为400KB/s。 高速模式下，数据传输速率为3.4Mb/s。 I2C总线始终和先进技术保持同步，并保持其向下 兼容性。 310.1.1 I2C总线 （1）I2C总线采用二线制传输，一根是数据线SDA（ Serial Data Line），另一根是时钟线SCL（serial clock line），所有I2C器件都连接在SDA和SCL上，每一个器 件具有一个唯一的地址。 （2）I2C总线是一个多主机总线，总线上可以有一个 或多个主机（或称主控制器件），总线运行由主机控 制。 主机是指启动数据的传送（发起始信号）、发出时 钟信号、发出终止信号的器件。通常，主机由单片机 或其它微处理器担任。被主机访问的器件叫从机（或称从器件），它可以 是其它单片机，或者其他外围芯片，如：A/D、D/A、 LED或LCD驱动、串行存储器芯片。 410.1.1 I2C总线（3）I2C总线支持多主（multi-mastering）和主从（ master-slave）两种工作方式。多主方式下，I2C总线上可以有多个主机。I2C总 线需通过硬件和软件仲裁来确定主机对总线的控制权 。主从工作方式时，系统中只有一个主机，总线上 的其它器件均为从机（具有I2C总线接口），只有主机 能对从机进行读写访问，因此，不存在总线的竞争等 问题。在主从方式下，I2C总线的时序可以模拟 ，I2C 总线的使用不受主机是否具有I2C总线接口的制约。MCS-51系列单片机本身不具有I2C总线接口，可 以用其I/O口线模拟I2C总线 510.1.1 I2C总线图10.1 单主机系统I2C总线扩展示意图 610.1.1 I2C总线采用I2C总线设计系统的优点： （1）功能框图中的功能模块与实际的外围器件对应， 可以使系统设计直接由功能框图快速地过渡到系统样 机。（2）外围器件直接“挂在”I2C总线上，不需设计总线 接口；增加和删减系统中的外围器件，不会影响总线 和其他器件的工作，便于系统功能的改进和升级。 （3）集成在器件中的寻址和数据传输协议可以使系统 完全由软件来定义。 710.1.2 I2C总线的数据传输 图10.2 标准模式和快速模式下器件连接到I2C总线的形式 双向510k负载能力为400pf 810.1.2 I2C总线的数据传输（一）数据位的传送I2C总线上主机与从机之间一次传送的数据称为一 帧。由启动信号、若干个数据字节、应答位和停止信 号组成。数据传送的基本单元为一位数据。时钟线SCL的一个时钟周期只能传输一位数据。在 SCL时钟线为高电平期间内，数据线SDA上的数据必须 稳定。当SCL时钟线变为低电平时，数据线SDA的状态 才能改变。 910.1.2 I2C总线的数据传输（二）启始和停止状态 。起始（START）状态：I2C总线传输过程中，当时钟 线SCL为高电平时，数据线SDA出现高电平到低电平跳 变时，标志I2C总线传输数据开始。停止（STOP）状态：I2C总线传输过程中，当时钟线 SCL为高电平时，数据线SDA出现低电平到高电平跳变 时，标志着I2C总线传输数据结束。起始和停止状态是由主机发出 1010.1.2 I2C总线的数据传输（三）传输数据 传输到数据线SDA上的每个字节必须为8位 每次传输的字节数不受限制。每个字节后必须跟一个 应答（acknowledge）位。数据传输时，首先传送最高 位，如图10.5所示，如果从机暂时不能接收下一个字节 数据，如从机响应内部中断，那么，可以使时钟线SCL 保持为低电平，迫使主机处于等待状态；当从机准备就 绪后，再释放时钟线SCL，使数据传输继续进行。 1110.1.2 I2C总线的数据传输（四）应答I2C协议规定，在每个字节传送完毕后，必须有一 个应答位。应答位的时钟脉冲由主机产生。在应答时 钟有效期间，发送设备把数据线SDA置为高电平；接 收设备必须把数据线SDA置为低电平，并且在此期间 保持低电平状态，以便产生有效的应答信号。1210.1.2 I2C总线的数据传输（五）数据传输格式在起始状态S之后，先发送一个7位从机地址，接 着第8位是数据方向位， 0表示发送(写)， 1 表示请求数据(读)。一次数据传输总是由主机产生停止 状态P而结束。但是，如果主机还希望在总线上传输数 据，那么，它可以产生另一个起始状态和寻址另一个 从机，不需要先产生一个停止状态。在这种传输方式 中，就可能有读写方式的组合。 1310.1.2 I2C总线的数据传输在I2C总线启动或应答信号后的第18个时钟脉冲，对应一 个字节的8位数据传送。高电平期间，数据串行传送；低电平 期间为数据准备，允许总线上数据电平变化。一旦I2C总线启 动，传送的字节数没有限制，只要求每传送一个字节后，对 方回应一个应答位。发送时，最先发送的是数据的最高位。 每次传送开始有起始信号，结束时有停止信号。传送完一个 字节，可以通过对时钟线的控制使传送暂停。 （五）数据传输格式1410.1.2 I2C总线的数据传输在I2C总线上，传输数据可能的数据格式： （五）数据传输格式（1）主机发送器发送到从机接收器。数据传输的方向 不变化。 1510.1.2 I2C总线的数据传输（2）在第一个字节后主机立即读从机。 在I2C总线上，传输数据可能的数据格式： （五）数据传输格式1610.1.2 I2C总线的数据传输（3）组合格式 在I2C总线上，传输数据可能的数据格式： （五）数据传输格式1710.1.3 I2C总线的寻址每个连接在I2C总线的器件，都具有一个唯一确定 的地址。在任何时刻，I2C总线上只能有一个主机对总 线实行控制权，分时地实现点对点的数据传送。 器件（从机）的地址由7位组成，它与1位方向位 构成了I2C总线数据传输时起始状态S之后第1个字节。 从机地址由固定位和可编程位组成。固定位由器件 出厂时给定，用户不能自行设置，它是器件的标识码 。1810.1.3 I2C总线的寻址当主机发送了第1个字节后，系统中的每个从机 （器件）都在起始状态S之后把高7位与本机的地址比 较，如果与本机地址一样，则该从机被主机选中，是 接收数据还是发送数据由 确定。从机地址由固定位和可编程位组成。固定位由器 件出厂时给定，用户不能自行设置，它是器件的标识 码。当系统中使用了多个相同器件时，从机地址中的 可编程位，可使这些器件具有不同的地址；这些可编 程位也规定了I2C总线上同类芯片的最大个数。 1910.1.3 I2C总线的寻址表10.1常见I2C器件的标识码类别型号A6A3 静态RAMPCF8570/711010 PCF8570C1011 E2PROMPCF85821010 AT24C021010 AT24C041010 AT24C081010 AT24C161010 I/O口PCF85740100 PCF8574A0111 LED/LCD 驱动 控制器SAA10640111 PCF85760111 PCF8578/790111 ADC/DACPCF89511001 日历时钟PCF858310102010.1.4 单片机主从系统I2C总线模拟程序MCS-51单片机没有I2C总线接口，只能采用虚拟 I2C总线方式，并且只能用于主从系统。 虚拟I2C总线接口利用MCS-51单片机的I/O口线作 为数据线SDA和时钟线SCL，通过软件延时实现I2C总 线传输数据的时序要求。（1）起始信号（S） 四种典型信号的时序 （2） 停止信号（P） 21（3）应答信号（ ）（4）无应答信号（A） 10.1.4 单片机主从系统I2C总线模拟程序MCS-51单片机没有I2C总线接口，只能采用虚拟I2C总 线方式，并且只能用于主从系统。 虚拟I2C总线接口利用MCS-51单片机的I/O口线作为数 据线SDA和时钟线SCL，通过软件延时实现I2C总线传输数 据的时序要求。四种典型信号的时序 2210.1.5 I2C总线应用 （一） I2C总线扩展I/O口 PCF8574是一个带有中断输出的8位准双向I/O口的 I2C总线扩展I/O口芯片。 A2A0：地址引脚； P0P7：8位准双向I/O口； SDA、SCL： I2C总线接口；：中断请求输出，低电平有效， 漏极开路输出。输入端P0P7电平 状态改变时，中断请求输出端出现 低电平。对PCF8574进行一次读/ 写操作后，撤销中断请求，复位为 高电平 。 VDD：电源，+5V；VSS：地 2310.1.5 I2C总线应用（一） I2C总线扩展I/O口 PCF8574数据输入/输出操作格式 （1）输出操作输出时，R/ =0，SLAW为0100(A2A1A0)0。W（2）输入操作输入时，R/ =1，SLAW为0100(A2A1A0)1。W2410.1.5 I2C总线应用例：采用PCF8574扩展的4个按键、4个LED应用电路，其中 P0P3作为按键输入端，P4P7作为LED控制信号的输出端 。按键K1控制L1，依此类推，当键按后，相应LED被点亮 。（一） I2C总线扩展I/O口 2510.1.5 I2C总线应用AT24CXX系列串行E2PROM是Atme1公司生产的 I2C总线接口功能的串行E2PROM器件，具有掉电保护 功能 ，AT24C02容量为256字节。AT24CXX系列的写 入时间一般需要510ms。（二）I2C总线扩展E2PROM SDA、SCL： I2C总线接口； A2A0：地址引脚； WP：写保护。当接低电平时， 可进行正常读/写操作；接高 电平时，只能读取数据。 2610.1.5 I2C总线应用数据读/写操作格式 （二）I2C总线扩展E2PROM （1）输出操作（SADR为AT24C02片内地址 ） SLAW为1010(A2A1A0)0 （2）输入操作SLAW为1010(A2A1A0)1 2710.1.5 I2C总线应用MCS-51单片机与AT24C02 的连接电路 （二）I2C总线扩展E2PROM AT24C02与80C51接口 例1：把单片机内部RAM 10H单元开始的8个字节数据写入 AT24C02的50H57H单元中。 例2 把AT24C02的50H57H中的8个数据读出，存入单片机内 部的RAM的20H27H。 2810.2 SPI总线扩展技术 SPI（Serial Peripheral Interface）总线是 Motorola公司提出的一种同步串行外设接口， 它可以 使微控制器（MCU）与各种外围设备以串行方式进行 通信以交换信息。外围设备包括FLASHRAM、网络控 制器、LCD显示驱动器、A