【正文】 第 9章 串行擴展技術 教學目的 ? 了解串行擴展的分類和特點。 ? 了解 Microware、 1wire、 USB和 CAN總線。 ? 掌握 I2C總線的原理。 ? 掌握 SPI總線的原理。 學習重點和難點 ? I2C總線的軟件模擬。 ? SPI總線的軟件模擬。 第 9章 串行擴展技術 ? 串行擴展概述 ? UART串行擴展接口 ? I2C串行擴展總線 ? SPI串行擴展接口 ?本章小結 ?習題 串行擴展概述 ? 串行擴展的種類 ? 串行擴展的特點 串行擴展的種類 新一代單片機技術的顯著特點之一就是串行擴展總線和接口的推出。常用的串行擴展總線和接口有 I2C總線、 SPI總線、Microware總線、 1wire總線和 CAN總線等。 （ 1） UART串行擴展接口 （ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter） UART通用異步收發(fā)器，既能同步又能異步通信的硬件電路稱為 UART。 UART是用于控制計算機與串行設備的芯片，它提供了 RS－ 232C數據終端設備接口，這樣計算機就可以和調制解調器或其它使用 RS－ 232C接口的串行設備通信了。 串行擴展的種類 （ 2） I2C（ Inter Integrated Circuit）串行擴展總線 I2C總線是 Philip公司推出的芯片間串行傳輸總線。它用兩根線實現了完善的全雙工同步數據傳送，可以極為方便地構成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。 （ 3） SPI(Serial Peripheral Interface) 串行擴展接口 SPI總線是 Motorola公司提出的一種同步串行外設接口。允許 MCU與各種外圍設備以同步串行方式進行通信。其外圍設備種類繁多，從最簡單的 TTL移位寄存器到復雜的 LCD顯示驅動器、網絡控制器等，可謂應有盡有。 串行擴展的種類 （ 4） Microware串行擴展接口 Microware總線是 NS公司提出的串行同步雙工通信接口，用于 8位 COP800系列單片機和 16位 HPC系列單片機。 （ 5）單總線（ 1wire）串行擴展總線 1wire總線是 Dallas公司研制開發(fā)的一種協議，用于便攜式儀表和現場監(jiān)控系統(tǒng)。 （ 6） USB（ Universal Serial BUS）串行擴展總線 USB總線是 Compaq、 Intel、 Microsoft、 NEC等公司聯合制定的一種計算機串行通信協議。 串行擴展的種類 （ 7） CAN（ Controller Area Network）串行擴展總線 CAN總線是德國 Bosch公司最先提出的多主機局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。最初， CAN被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通信，在車載各電子控制裝置 ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備。 串行擴展的特點 串行擴展總線技術是新一代單片機技術發(fā)展的一個顯著特點。與并行擴展總線相比，串行擴展總線有電路結構簡單，程序編寫方便，易于實現用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標準化等優(yōu)點。 常用串行擴展總線和接口的特點簡要說明如下： （ 1） UART串行擴展接口 UART接口是二線制， 8051單片機的 UART既能作通用異步接收和發(fā)送器，又能作同步移位寄存器。它可以實現 8051單片機系統(tǒng)之間點對點的單機通信或多機通信，也可以實現擴展I/O口。 串行擴展的特點 （ 2） I2C總線 I2C總線是二線制，采用器件地址的硬件設置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有簡單靈活的擴展方法。 I2C總線簡單，結構緊湊，易于實現模塊化和標準化。 （ 3） SPI串行擴展接口 SPI總線是三線制，可直接與多種標準外圍器件直接接口，在 SPI從設備較少而沒有總線擴展能力的單片機系統(tǒng)中使用特別方便。即使在有總線擴展能力的系統(tǒng)中采用 SPI設備也可以簡化電路設計，省掉很多常規(guī)電路中的接口器件，從而提高了設計的可靠性。 串行擴展的特點 （ 4） Microware串行擴展接口 Microware總線是三線制，由一根數據輸出（ SO）線、一根數據輸入（ SI）線和一根時鐘（ SK）線組成。所有從器件的時鐘線連接到同一根 SK線上，主器件向 SK線發(fā)送時鐘脈沖信號，從器件在時鐘信號的同步沿輸出 /輸入數據。主器件的數據輸出線 SO和所有從器件的數據輸入線相接，從器件的數據輸出線都接到主器件的數據輸入線 SI上。 （ 5） 1wire總線 1wire總線是利用一根線實現雙向通信，由一個總線主節(jié)點、一個或多個從節(jié)點組成系統(tǒng)，通過一根信號線對從芯片進行數據的讀取。每一個符合 1wire協議的從芯片都有一個唯一的地址，包括 8位分類碼、 48位的序列號和 8位 CRC代碼。主芯片對各個從芯片的尋找依據這 64位的不同來進行。單總線節(jié)省 I/O引腳資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護。 串行擴展的特點 （ 6） USB串行擴展接口 USB比較于其他傳統(tǒng)接口的一個優(yōu)勢是即插即用的實現，即插即用（ PlugandPlay）也稱為熱插拔（ Hot Plugging）。數據傳輸速度快， 12 Mb/s； 480 Mb/s。擴展方便，使用USB Hub擴展，可以連接 127個 USB設備，連接的方式十分靈活。 （ 7） CAN總線 在由 CAN 總線構成的單一網絡中，理論上可以掛接無數個節(jié)點。實際應用中，節(jié)點數目受網絡硬件的電氣特性所限制。CAN 可提供高達 1Mbit/s的數據傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了 CAN的抗電磁干擾能力。當信號傳輸距離達到 10km時， CAN 仍可提供高達 50Kbit/s的數據傳輸速率。 UART串行擴展接口 ? 串行口工作方式 ? UART串行擴展應用實例 串行口工作方式 ? 串行口有四種工作方式，每一種工作方式都有自己的特點。其中方式 0是 8位同步通信方式，用于串 /并或并 /串轉換中，常用的串 /并轉換芯片有 74LS164和并 /串轉換芯片 74LS165等。 ? 74LS164 是一個雙列直插式 8位串入 /并出移位寄存器 ，其引腳如下圖所示。 其引腳定義如下： ? A：同步串行數據輸入端 ? B：同步串行數據輸入端 ? Q0～ Q7： 8位并行數據輸出端 ? CK：時鐘脈沖輸入端 ? CLR：數據清除端 (清除輸出數據，通常用在移位完成時 ) ? GND：接地端 ? VCC：電源端 串行口工作方式 ? 74LS165 是一個雙列直插式 8位并入 /串出移位寄存器 ，其引腳如下圖所示。 其引腳定義如下： ? LD：重新裝載數據端 (通常用在數據完全移出后 ) ? CK：內部數據移位時鐘脈沖輸入端 ? D0～ D7：并行數據輸入端 ? Q11：取反串行輸出端 ? GND：接地端 ? Q11：串行輸出端 ? SE：用于填充數據移出后的空位的邏輯電平信號 ? COK：和 CK聯合控制數據移動 ? VCC：電源端 串行口工作方式 1 2 3 4 5 6 7 10 9 8 11 12 13 14 A B Q7 G N D CK C L R VCC Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 12 13 14 15 16 SE D7 VCC D6 D5 D4 COK Q11 1 2 3 4 5 6 7 LD CK D3 Q11 D2 D1 D0 G ND 9 11 10 8 74LS164引腳圖 74LS165引腳圖