第12章 单片机的串行扩展技术.ppt

第12章单片机的串行扩展技术
单片机的串行扩展技术与并行扩展技术相比具有显著的优点，串行接口器件与单片机接口时需要的I/O口线很少（仅需1～4条），极大地简化了器件间的连接，进而提高了可靠性。串行接口器件体积小，因而占用电路板的空间小，仅为并行接口器件的10%，明显减少了电路板空间和成本。
除上述优点外，还有工作电压宽、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。

12.1单总线接口简介
单总线（1-Wirebus）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。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。
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。

12.2SPI总线接口简介
SPI（SerialPeriperalInterface）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。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。
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。

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。
12.3I2C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。
12.3.1I2C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12-5I2C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