第6章 串行总线接口技术.pdf

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第6章MCS-51单片机外部串行总线接口技术

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
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单片机原理与应用

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。

SS3

SS0SS1SS2

MCS-51系统
MCS-51系统2A/DD/A
EPROM（从机）
（主机）

MOSI
MISO
SCK

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