第6章 串行总线接口技术.docx
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第6章串行总线接口技术
第6章MCS-51单片机外部串行总线接口技术
教学提示：
随着电子技术的发展，出现了很多新型的串行数据传输总线。
相应地，许多新型外围器件都支持这些总线接口。
串行总线接口灵活，占用单片机资源少，系统结构简化，极易形成用户的模块化结构。
现代单片机应用系统广泛采用串行总线接口技术。
教学要求：
本章让学生了解几种常用外部串行总线工作方式。
熟悉常用串行接口芯片X5045、HD7279、TLC1543、TLC5165的工作原理、接口电路设计与程序设计。
6.1几种外部串行总线工作方式
与并行扩展总线相比，串行总线简化了系统的连线，缩小电路板的面积，节省了系统的资源，系统具有扩展性好、程序编写方便、易于实现用户系统软硬件的模块化及标准化等优点。
目前单片机应用系统中使用比较常见的串行扩展接口和串行扩展总线有：
SPI串行总线、I2C总线、单总线（l-WireBus）、Microwire总线。
下面分别介绍各种串行总线接口的工作原理和特性。
6.1.1SPI串行总线
SPI（SerialPeripheralInterface串行外设接口）是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以同步串行方式进行通信以交换信息。
该总线大量用在与E2PROM、ADC、FRAM和显示驱动器之类的慢速外设器件通信。
1.SPI总线的特点
SPI总线一般使用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和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。
由于SPI系统总线一共只需3～4位数据线和控制线即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行接口，而扩展并行总线则需要8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因此，采用SPI总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性。
由此可见，在MCS-51系列等不具有SPI接口的单片机组成的智能仪器和工业测控系统中，当传输速度要求不是太高时，使用SPI总线可以增加应用系统接口器件的种类，提高应用系统的性能。
2.SPI总线系统的构成
由于SPI系统总线只需3根公共的时钟、数据线和若干位独立的从机选择线（依据从机数目而定），在SPI从设备较少而没有总线扩展能力的单片机系统中使用特别方便。
SPI串行接口设备既可以工作于主机方式，也可以工作在从机方式。
当SPI设备工作于主机方式时，MISO是主机数据输入线，MOSI是主机数据输出线。
当SPI设备工作于从机方式时，MISO是从机数据输入线，MOSI是从机数据输出线。
系统主机为SPI从机提供同步时钟输入信号（SCK）和片选使能信号（SS）。
SPI从器件则从主机获取时钟和片选信号，因此从器件的控制信号SCK、SS都是输入信号。
在系统主机与SPI从设备之间进行数据传输时，不论是命令还是数据都是以串行方式传送，其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。
SPI的典型应用是单主系统，该系统只有一台主机（单片机），多个外围接口器件作为从机。
单片机与多个SPI串行接口设备典型的SPI总线系统结构如图6.1所示。
在这个系统中，只允许有一个做主MCU和若干具有SPI接口的外围器件（或从MCU）。
主MCU控制着数据向一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。
所有的SPI从器件使用相同的时钟信号SCK，并将所有SPI从器件的MISO引脚连接到系统主机的MOSI引脚，SPI从器件的MOSI引脚连接到系统主机的MISO引脚。
但每个SPI从器件采用相互独立的片选信号来控制芯片使能端。
在SPI串行扩展系统中，如果某一从设备只作输入（如键盘）或只作输出（如显示器）时，可省去一根数据输出（MOSI）或一根数据输入（MOSI），从而构成3线系统。
图6.1单片机与多个SPI串行接口设备典型连接
当有多个不同的串行I/O器件若要连至SPI总线上作为从设备，必须注意两点：
一是其必须有片选端；二是其接MISO线的输出脚必须有三态，片选无效时输出高阻态，以不影响其它SPI设备的正常工作。
SPI串行总线系统中除了用于连接一个CPU（系统主机）和多个SPI从器件外，还可以用于一个主CPU与多个从CPU之间、多个CPU与若干个SPI从器件之间的连接。
3.SPI串行总线在MCS-51系列单片机中的实现
SPI串行总线系统中主机单片机可以带有SPI接口，也可以不带SPI接口，但从设备要具有SPI总线接口。
对于不带SPI串行总线接口的MCS-51系列单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。
图6.2MCS-51单片机I/O口模拟SPI总线接口原理图
MCS-51单片机I/O口模拟SPI总线接口原理图如图6.2所示。
对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。
对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P1.1的初始状态设置为1，而在允许接收后再置P1.1为0。
这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至单片机的P1.3口（模拟MCU的MISO线），此后再置P1.1为1，使MCS-51系列单片机从P1.2（模拟MCU的MOSI线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。
至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。
此后再置P1.1为0，模拟下1位数据的输入输出，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。
对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P1.1为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据（MCU发送1位数据），从而完成1位数据的传送。
目前采用SPI串行总线接口的器件非常多，可以大致分为以下几大类：
单片机，如Motorola公司的M68HC08系列、Cygnal公司的C8051F0XX系列、Philips公司的P89LPC93X系列。
A/D和D/A转换器，如：
AD公司的AD7811/12、TI公司的TLC1543、TLC2543、TLC5615等。
实时时钟（RTC），如Dallas公司的DS1302/05/06等。
温度传感器，如AD公司的AD7816/17/18；NS公司的LM74等。
其他设备，如LED控制驱动器MAX7219、HD7279等，集成看门狗、电压监控、E2PROM等功能的X5045等。
6.1.2I2C总线
I2C（InterIntegratedCircuit）总线是由Philips公司推出的芯片间串行传输总线。
I2C总线以1根串行数据线（SDA）和1根串行时钟线（SCL）实现了全双工的同步数据传输。
随着I2C总线研究的深入，它已经广泛应用于视/音频领域、IC卡行业和一些家电产品中，在智能仪器、仪表和工业测控领域也越来越多地得到应用。
1.I2C总线的基本特性
I2C总线的基本特性具有以下几点：
（1）硬件结构上具有相同的硬件接口界面。
I2C总线系统中，任何一个I2C总线接口的外围器件，不论其功能差别有多大，都是通过串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）连接到I2C总线上，而且都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压（见图6.3）。
这一特点给用户在设计应用系统中带来了极大的便利性。
用户不必理解每个I2C总线接口器件的功能如何，只要将器件的SDA和SCL引脚连到I2C总线上，然后对该器件模块进行独立的电路设计，从而简化了系统设计的复杂性。
图6.3I2C器件连接实例
（2）总线接口器件地址具有很大的独立性。
在单主系统中，每个I2C接口芯片具有惟一的器件地址，由于不能发出串行时钟信号而只能作为从器件使用。
各从器件之间互不干扰，相互之间不能进行通信，各个器件可以单独供电。
MCU与I2C器件之间的通信是通过独一无二的器件地址来实现的。
在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。
（3）数据传输首先从最高位开始。
当I2C总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s，在快速模式下可达400kbit/s，在高速模式下可达3.4Mbit/s。
连接到总线的接口数量由总线电容是400pF的限制决定。
（4）它是一个真正的多主机总线。
如果两个或更多主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。
（5）软件操作的一致性。
由于任何器件通过I2C总线与MCU进行数据传送的方式是基本一样的，这就决定了I2C总线软件编写的一致性。
（6）Philips公司在推出I2C总线的同时，也为I2C总线制订了严格的规范，如：
接口的电气特性、信号时序、信号传输的定义等。
2.I2C总线工作原理
（1）I2C总线信号类型
I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：
开始信号、结束信号和应答信号。
开始信号：
SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：
SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：
接收数据的器件（接收器）在接收到8bit数据后，向发送数据的器件（发送器）发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。
发送器接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。
若未收到应答信号，则判断为接收器出现故障。
起始信号与结束信号都是由主器件产生。
总线上带有I2C总线接口的器件很容易检测到这些信号。
（2）I2C总线数据传输
主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。
器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。
总线必须由主器件（通常为单片机）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。
SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。
I2C总线的数据传送以主器件发送数据传输起始信号开始，并提供用于通信的时钟信号。
在起始信号结束后，主器件将发送一个用于选择从器件地址的7位地址码和一个数据方向位（R/W），方向位为“0”表示主器件把数据写到所选择的从器件中，此时主器件作为发送器，而从器件作为接收器；方向位为“1”表示主器件从所选择的从器件中读取数据，此时主器件作为接收器，而从器件作为发送器。
在寻址字节后是按指定读、写操作的数据字节与应答位。
在数据传送完成后主器件必须发送停止信号。
每一个数据字节长度为8位，单次传送的字节数并没有限制。
目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。
带有I2C接口的单片机有：
Cygnal的C8051F0XX系列，Philips的P87LPC7XX系列，Microchip的PIC16C6XX系列等。
很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口，如：
实时时钟/日历PCF8563、数字温度传感器LM75、AT24CXX系列E2PROM等。
6.1.3单总线
单总线（1-Wire）是Dallas公司推出外围串行扩展总线，与上述的几种串行总线不同，它采用单根信号线完成数据的双向传输。
单总线具有线路简单，减少硬件开销，成本低廉，便于总线的扩展和维护等优点。
单总线技术有三个显著的特点：
单总线芯片通过一根信号线进行地址信息、控制信息和数据信息的传送，并通过该信号线为单总线器件提供电源；
每个单总线芯片都具有全球惟一的访问序列号，当多个单总线器件挂在同一单总线上时，对所有单总线芯片的访问都通过该序列号区分；
单总线芯片在工作过程中，不需要提供外接电源，而通过它本身具有的“总线窃电”技术从总线上窃取电源。
单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。
通常把挂在单总线上的器件称之为单总线器件。
单总线系统主机可以是单片机，从机是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。
单总线器件内一般都具有控制、收/发、存储等电路。
为区分不同的单总线器件，厂家生产单总线器件时都要刻录一个64位的二进制ROM代码，以标志其ID号。
当只有一个单总线器件时，系统可按单节点系统操作；当有多个单总线器件时，系统则按多节点系统操作。
图6.4所示是单总线多节点系统的示意图。
图6.4单总线多节点系统的示意图
主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线，其内部等效电路如图6.5所示。
单总线通常要求外接一个约为4.7KΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。
图6.5单总线器件I/O端口内部结构
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，以保证数据传输的完整性。
主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成，分别为初始化1-Wire器件、识别1-Wire器件和交换数据。
由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问1-Wire器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM命令、功能命令。
目前，Dallas公司采用单总线技术生产的芯片包括数字温度传感器〔如DS18B20）、A/D转换器（如DS2450）、身份识别器（如DS1990A）、单总线控制器（如DS1WM）等。
6.1.4Microwire串行总线
Microwire串行总线是由NS公司制定的同步串行总线。
Microwire用在许多MCU和E2PROM这类非易失性存储器以及ADC中。
该总线能像SPI总线一样提供同步通信，可用在使用SPI的地方。
Microwire总线是三线同步串行总线，由一根时钟线（SK）、一根数据输入线（SI）、一根数据输出线（SO）组成。
Microwire总线最初是内建在NS公司COP400/COP800/HPC系列单片机中，通过Microwire总线可以为单片机和外围器件提供串行通信接口。
最初的Microwire总线上只能连接一台单片机作为主机，由它控制时钟线，总线上的其他器件都是从设备。
随着技术的发展，NS公司推出了8位的COP800系列单片机，该系列单片机仍采用原来的Microwire总线，但单片机上的总线接口改为既可由自身发出时钟，也可设置成由外部输入时钟信号，也就是说连到总线上的单片机既可以是主机，也可以是从机。
为了区别于原有的Microwire总线，称之为增强型的MicrowirePlus。
MicrowirePlus总线上允许连接多台单片机和外围设备，因此总线具有更大的灵活性和可变性，可应用于分布式、多处理器的复杂系统。
6.2串行E2PROMX5045接口扩展技术
随着计算机技术、单片机技术、控制网络技术的发展，以智能芯片为核心的单片机系统集成化和小型化程度的日益提高，使系统具备了完全的自诊断、自检测等性能。
目前，在一些测控系统中，存在电源开断、瞬时电压不稳等不安全因素，将会造成系统死机、信息丢失、运行不稳定等故障。
为解决这些问题，实现系统安全可靠、稳定、实时运行，可以采用可编程看门狗、电压监控、E2PROM等功能的X5045芯片。
6.2.1X5045的基本功能
X5045是美国Xicor公司生产的带有可编程μＰ监控器的CMOS串行E2PROM。
作为单片机系统电路的一个辅助芯片，它将复位、电压检测、看门狗定时器和块锁保护的串行E2PROM功能集合一个芯片内；采用SPI串行外设接口方式，降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，提高了系统的可靠性；适合于需要现场修改数据的场合，广泛应用于仪器仪表和工业自动控制等领域。
1.功能与特点
X5045有4种基本功能：
上电复位、看门狗定时器、低电压检测和SPI串行E2PROM
（1）上电复位
当器件通电并超过VCC门限电压（内部门限值VTRIP）时，X5045内部的复位电路将会提供一个约为200ms的复位脉冲（引脚RESET）让微处理器能够正常复位。
（2）看门狗
看门狗定时器对微处理器提供了一种因外界干扰而引起程序陷入死循环或跑飞状态的保护功能。
X5045内部的一个控制寄存器中有两位可编程位决定了定时周期的长短。
当系统出现故障时，在设定的时间内如果没有对X5045进行访问，则看门狗以RESET信号作为输出响应，即变为高电平，延时约200ms以后RESET由高电平变为低电平。
的下降沿复位看门狗定时器。
（3）低电压检测
工作过程中X5045监测电源电压下降并且在电源电压跌落到VCC门限电压（VTRIP）以下时，会产生一个复位脉冲，复位脉冲保持有效直到电源电压降到1V以下。
如果电源电压在降落到VTRIP后上升，则在电源电压超过VTRIP后延时约200ms，复位信号消失，使得微处理器可以继续工作。
（4）串行E2PROM存储器
X5045的存储器部分是具有Xicor公司的块锁保护CMOS4Kb串行E2PROM。
它被组织成8位的结构，由一个四线构成的SPI总线方式进行操作，一次最多可写16字节。
2.引脚排列与定义
X5045芯片有8引脚DIP和SOIC二种封装如图6.6所示，各引脚功能如表6.1所示。
图6.6X5045的引脚分布
表6.1X5045的引脚定义
“”
引脚名
引脚功能说明
1
片选端。
当
为低电平时，X5045工作。
的电平变化将复位看门狗定时器。
2
So
串行数据输出端。
数据在SCK的下降沿输出到SO线上。
3
写保护输入端。
低电平时，对芯片的写操作被静止，其他功能正常。
高电平时，写操作允许，其他功能正常。
4
Vss
电源地
5
SI
串行数据输入端。
所有操作命令、字节地址及写入的数据在此端输入。
输入数据由时钟SCK的上升沿锁存。
6
SCK
串行时钟输入端。
7
RESET
复位输出端。
高电平有效，漏极开路输出方式。
用于电源检测和看门狗超时输出。
8
Vcc
电源电压。
有3种电压规格的芯片，分别为1.8～3.6V、4.5～5.5V、2.7～5.5V。
6.2.2X5045的控制与实现
1.X5045操作指令与寄存器
对X5045的操作是通过4根口线
、SCK、SI和SO进行同步串行通信来完成的。
X5045内有一个8位指令寄存器，对芯片的所有操作都需要通过对该寄存器的写命令来完成，该寄存器可以通过SI来访问。
当
为低且
为高时，在SI线输入数据，在SCK的上升沿时，数据在由时钟同步输入。
在整个工作期间
必须为低电平。
X5045内部共有6条指令，包含写锁存器使能、写锁存器复位、写状态寄存器、读状态寄存器、写数据和读数据。
指令集见表6.2所列。
所有指令、地址和数据都是以高位（MSB）在前的方式串行传送。
读和写指令的位3包含了高地址位A8。
表6.2X5045的指令集
命令名称
命令格式
内 容
WREN
00000110（06H）
设置写使能锁存器（允许写操作）
WRDI
00000100（04H）
复位写使能锁存器（禁止写操作）
RDSR
00000101（05H）
读状态寄存器
WRSR
00000001（01H）
写状态寄存器（看门狗和块锁）
READ
0000A8011（03H或0BH）
从所选地址的存储器阵列开始读出数据
WRITE
0000A8010（02H或0AH）
把数据写入所选地址的存储器阵列（1～16字节）
（1）写使能寄存器
X5045片内包含一个写使能（允许）锁存器。
在内部完成写操作之前，此锁存器必须被设置写使能寄存器。
WREN指令可设置写使能寄存器，WRDI指令将复位写使能寄存器。
在上电和一次有效的字节、页或状态寄存器写操作完成之后，该锁存器自动复位。
如果
变为低电平，锁存器也被复位。
（2）状态寄存器
X5045片内还有一个状态寄存器，用来提供X5045状态信息以及设置块保护和看门狗的超时功能。
在任何情况下都可以通过RDSR和WRSR指令读/写状态寄存器。
状态寄存器格式如下。
状态寄存器的格式（缺省值=00H）
位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
状态字
0
0
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
其中：
WIP：
是否忙于向E2PROM写数据，只读位。
为“0”时表示没有写操作在进行，可以向E2PROM写数据；为“1”时，表示正在写操作，此时不能向E2PROM写数据。
WIP位由RDSR指令读出。
WEL：
写使能锁存器的状态，只读位。
该位为“1”时表示写使能置位，为“0”时表示写使能复位。
指令WREN将使WEL变为“1”，而指令WRDI则将这位变为“0”
BL1，BL0：
设置E2PROM的块锁保护地址范围，两位是可编程位，由WRSR指令设置，允许用户保护E2PROM的1/4、1/2或全部。
它们的组合关系如表6.3所列。
任何被块锁保护地址范围内的数据只能被读出而不能写。
表6.3块锁保护选择
BL1
BL0
写保护的单元地址
0
0
没有保护
0
1
180H～1FFH
1
0
100H～1FFH
1
1
000H～1FFH
WD1、WD0：
看门狗定时器时状态，两位是可编程位，由WRSR指令设置。
看门狗定时值选择如表6.4所示。
表6.4看门狗定时选择
WD1
WD0
看门狗定时值（典型值）
0
0
1.4s
0
1
600ms
1
0
200ms
1
1
禁止看门狗工作
2.X5045的读/写操作与时序
（1）X5045的读操作与时序
要读存储器的内容，首先把
拉至低电平以选择芯片，然后发送含有最高地址位A8的READ指令，紧接着是8位的字节地址。
读指令的位3包含地址A8，此位用于选择E2PROM的上半部或下半部。
在发送了读操作码和字节地址之后，在所选定地址的存储器中储存的数据被移出到SO线上。
在连续提供时钟脉冲的条件，储存在存储器下一地址处的的数据可被连续地读出。
在每一个数据字节移出之后，字节地址自动增量至下一个较高的地址。
当达到最高地址（1FFH）时，地址计数器翻转至地址000H，直到
置为高电平，终止读操作。
参见图6.7（a）所示的读E2PROM阵列操作时序。
要读状态寄器，首先要把
置低电平以选择芯片，发送8位的RDSR指令。
状态寄存器的内容被WDSR指令的第8个SCK时钟脉冲下降沿送到SO线上。
读状态寄存器操作时序如图6.7（b）所示。
图6.7（a）读E2PROM阵列操作时序
图6.7（b）读状态寄存器操作时序
（2）X5045的写操作与时序
在把数据写入X5045之前，必须首先发出WREN指令把写使能锁存器置位。
首先
置低电平，然后把WREN指令由时钟同步送入X5045，在指令的所有8位被发送之后，再将
置为高电平。
然后再次将
置低电平并输入WRITE指令后面紧随8位地址，最后是要写入的数据。
写指令的位3包含地址A8，此位用于选择E2PROM的上半部或下半部。
如果用户在发出WREN指令之后不把
置为高电平而继续写操作，那么写操作无效。
写使能锁存器的操作时序如图6.8（a）所示。
WRITE指令至少需要16个时钟脉冲。
在操作期间
必须保持为低，主机可以连续写入同一页地址（A8确定）的16字节数据。
超过16字节数据，芯片自动从本页第一个单元地址重新写入。
为了完成写操作（字节写或页写），在最后一个被写入的数据字节的最低位（LSB）完成后，
必须拉高。
字节写操作时序如图6.8（b）。
写状态寄存器时，必须先发出WRSR指令，紧接着送更新状
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