第十一章單片機(jī)的串行擴(kuò)展技術(shù)11.1概述

傳統(tǒng)的單片機(jī)擴(kuò)展技術(shù)是并行總線擴(kuò)展，所謂三總線（AB、DB、CB），其優(yōu)點(diǎn)是速度快，但隨著單片機(jī)擴(kuò)展容量的增加和處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加，芯片的引腳、尺寸也隨之增多和增大。導(dǎo)致電路板尺寸大、成本高的問(wèn)題。

串行擴(kuò)展技術(shù)的出現(xiàn)解決了上述問(wèn)題，傳行器件的I/O接口線少，一般1~4條，簡(jiǎn)化了器件間的連接，減小了系統(tǒng)的尺寸；另外，串行技術(shù)還有工作電壓寬、抗干擾強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)；因而有很多的應(yīng)用領(lǐng)域。11.2單總線接口簡(jiǎn)介

單總線（1-Wirebus）是由DALLAS公司推出的外圍串行擴(kuò)展技術(shù)，它只有一條數(shù)據(jù)輸入/輸出線DQ，總線上所有器件都掛在DQ上，甚至電源也由該線提供，所以稱之為單總線技術(shù)。

VDD2I/O單片機(jī)DQDS1820單總線技術(shù)的信號(hào)方式：所有單總線器件要求遵循嚴(yán)格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。

1-wire協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：

復(fù)位脈沖、答應(yīng)脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0和讀1時(shí)序。所有的單總線命令序列（初始化、ROM命令、功能命令）都是由這些基本的信號(hào)類型組成。這些信號(hào)，除了應(yīng)答脈沖外都是由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)，并且發(fā)出的所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。初始化時(shí)序包括主機(jī)發(fā)送的復(fù)位脈沖和從機(jī)發(fā)出的應(yīng)答脈沖主機(jī)通過(guò)拉低單總線至少480us，以產(chǎn)生TX復(fù)位脈沖：然后主機(jī)釋放總線，并進(jìn)入RX接收模式，當(dāng)主機(jī)釋放總線時(shí)，總線由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)產(chǎn)生一上升沿，單總線器件檢測(cè)到這上升沿后，延時(shí)15~60us，接著單總線器件通過(guò)拉低總線60~240us，以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。主機(jī)接收到從機(jī)應(yīng)答脈沖后，說(shuō)明有單總線器件在線，然后主機(jī)就開(kāi)始對(duì)從機(jī)進(jìn)行ROM命令和功能命令操作。

DALLAS公司的單總線器件的單總線的寫(xiě)1、寫(xiě)0、讀1、讀0和尋址都有嚴(yán)格的時(shí)序規(guī)范，在每一個(gè)時(shí)序中，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)，一位數(shù)據(jù)的讀取至少需要60us的時(shí)間，具體的時(shí)序內(nèi)容可查詢相關(guān)資料。例如：DHT11：由瑞士sensiron司生產(chǎn)的單片數(shù)字溫濕度集成傳感器，共有三個(gè)管腳：Vcc、GND、DATA。DHT11每啟動(dòng)一次通訊的時(shí)間為4ms左右。每啟動(dòng)一次DHT11都會(huì)發(fā)送40bit的數(shù)據(jù)，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。

在DHT11空閑時(shí)總線處于高電平，主機(jī)把總線拉低至少18ms。主機(jī)通過(guò)這種方式向傳感器發(fā)送開(kāi)始信號(hào)。DHT11在收到開(kāi)始信號(hào)后等待總線拉高，然后給控制模塊返回一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，這個(gè)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)為80us。控制模塊在接到響應(yīng)信號(hào)后等待20到40us就開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。11.3SPI總線接口簡(jiǎn)介

SPI是Motorola公司推出的同步串口接口技術(shù)，是典型的單主系統(tǒng)，即系統(tǒng)只有一臺(tái)主器件，若干個(gè)從器件，在主從之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

SCKMOSIMISO單片機(jī)

I/OI/OSCKMOSIMISO

外圍器件1

CSSCKMOSIMISO

外圍器件2

CS

主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)與從設(shè)備的同步通訊，從而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI接口由MISO（串行數(shù)據(jù)輸入），MOSI（串行數(shù)據(jù)輸出），SCK（串行移位時(shí)鐘輸出），CS#（從使能信號(hào)）四種信號(hào)構(gòu)成，CS決定了唯一的與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如沒(méi)有CS信號(hào)，則只能存在一個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備通過(guò)產(chǎn)生移位時(shí)鐘來(lái)發(fā)起通訊。通訊時(shí)，數(shù)據(jù)由MOSI輸出，MISO輸入，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升或下降沿輸入或輸出。在SPI串行通信中，一般基于四條信號(hào)線：MISO：主機(jī)數(shù)據(jù)輸入，從機(jī)數(shù)據(jù)輸出；MOSI：主機(jī)數(shù)據(jù)輸出，從機(jī)數(shù)據(jù)輸入；SCK：主機(jī)串行時(shí)鐘輸出；CS：從機(jī)片選信號(hào)。

在SPI串行擴(kuò)展系統(tǒng)中，由主器件啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳送，從SCK輸出8/16個(gè)時(shí)鐘周期，傳送給從器件作為同步時(shí)鐘，控制數(shù)據(jù)的輸入或輸出。一般高位（MSB）在前，低位在后，數(shù)據(jù)的輸入或輸出，都取決于SCK，有的SPI芯片是SCK上升沿鎖存數(shù)據(jù)，有的是下降沿鎖存。其時(shí)序圖如下：CS：SCK：DI/DO：

數(shù)據(jù)的傳送格式一般以高位（MSB）在前，低位（LSB）在后；根據(jù)芯片的不同，有的是SCK上升沿鎖存數(shù)據(jù)，有的是下降沿鎖存數(shù)據(jù)；SPI總線的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)幾Mbit/s。D7D6D4D5D3D0D1D2例如：基于SPI總線的12位串行D/A轉(zhuǎn)換器DAC7512。CSDINSCLKVDDGNDVOUT11.3I2C串行總線接口

I2C是PHILIPS公司推出的一種串行總線協(xié)議，是目前使用比較廣泛的芯片間通過(guò)串行口傳送數(shù)據(jù)的一種方式，該總線采用兩條線實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)的同步傳輸。一、I2C串行總線概述：

I2C有兩條信號(hào)線，一條數(shù)據(jù)線SDA，一條時(shí)鐘線SCL；I2C串行總線的運(yùn)行采用主控方式，一般是一臺(tái)主器件，若干從器件，主器件啟動(dòng)數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)，結(jié)束時(shí)發(fā)出終止信號(hào)，一般由單片機(jī)來(lái)完成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：

單片機(jī)SCLSDASDASCL

鍵盤(pán)SDASCLAD/DASDASCL

顯示SDASCL

存儲(chǔ)器VDDI2C串行總線接口器件的輸出端為漏極輸出，所以SDA和SCL要接上拉電阻，在標(biāo)準(zhǔn)的I2C模式下，數(shù)據(jù)的傳送速率為100Kbit/s。二、I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸：

1、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定：在I2C總線上，每一位數(shù)據(jù)的傳送與一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)，在時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)信號(hào)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)信號(hào)才可以變化。SDASCLI2C協(xié)議規(guī)定：總線上數(shù)據(jù)的傳送由起始信號(hào)（S）、終止信號(hào)（P）、應(yīng)答信號(hào)（A）、非應(yīng)答信號(hào)（NA）及數(shù)據(jù)位組成。a、起始信號(hào)（S）：SCL高電平期間，SDA由高電平向低電平的變化，標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始；b、終止信號(hào)（P）：SCL高電平期間，SDA由低電平向高電平的變化，標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束；

起始信號(hào)和終止信號(hào)均由主器件產(chǎn)生。SPSDASCLc、應(yīng)答信號(hào)（A）：I2C總線協(xié)議規(guī)定，每傳送一個(gè)字節(jié)，接收方必須有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，也就是說(shuō)，發(fā)送方發(fā)送完一個(gè)字節(jié)要立刻讓出數(shù)據(jù)線，既數(shù)據(jù)輸出高電平。應(yīng)答信號(hào)在第9個(gè)時(shí)鐘位出現(xiàn)，低電平為應(yīng)答信號(hào)。d、非應(yīng)答信號(hào)（NA）：高電平為非應(yīng)答信號(hào)。I2C總線上的應(yīng)答信號(hào)：2189SCL數(shù)據(jù)發(fā)送器數(shù)據(jù)接收器三、I2C總線上數(shù)據(jù)的傳輸與應(yīng)答：

I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)是以字節(jié)的整數(shù)倍進(jìn)行傳輸?shù)?，每一字?jié)后要跟一位應(yīng)答位，既一幀9位，高位在先（MSB）方式。

在主發(fā)從收的時(shí)候，主器件每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，都要讓出SDA線，以接受應(yīng)答信號(hào)，從器件可以通過(guò)拉低SCL線通知主器件延緩發(fā)送，主器件發(fā)送完數(shù)據(jù)以終止信號(hào)（P）結(jié)束發(fā)送。

在主收從發(fā)時(shí)，從器件發(fā)送完最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，再發(fā)一位