單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)第9章(已修改)
2025-05-28 11:46 本頁(yè)面
【正文】 第 9章 串行擴(kuò)展技術(shù) 教學(xué)目的 ? 了解串行擴(kuò)展的分類和特點(diǎn)。 ? 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(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn) ? I2C總線的軟件模擬。 ? SPI總線的軟件模擬。 第 9章 串行擴(kuò)展技術(shù) ? 串行擴(kuò)展概述 ? UART串行擴(kuò)展接口 ? I2C串行擴(kuò)展總線 ? SPI串行擴(kuò)展接口 ?本章小結(jié) ?習(xí)題 串行擴(kuò)展概述 ? 串行擴(kuò)展的種類 ? 串行擴(kuò)展的特點(diǎn) 串行擴(kuò)展的種類 新一代單片機(jī)技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一就是串行擴(kuò)展總線和接口的推出。常用的串行擴(kuò)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(kuò)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(jì)算機(jī)與串行設(shè)備的芯片，它提供了 RS－ 232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計(jì)算機(jī)就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用 RS－ 232C接口的串行設(shè)備通信了。 串行擴(kuò)展的種類 （ 2） I2C（ Inter Integrated Circuit）串行擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極為方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。 （ 3） SPI(Serial Peripheral Interface) 串行擴(kuò)展接口 SPI總線是 Motorola公司提出的一種同步串行外設(shè)接口。允許 MCU與各種外圍設(shè)備以同步串行方式進(jìn)行通信。其外圍設(shè)備種類繁多，從最簡(jiǎn)單的 TTL移位寄存器到復(fù)雜的 LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、網(wǎng)絡(luò)控制器等，可謂應(yīng)有盡有。 串行擴(kuò)展的種類 （ 4） Microware串行擴(kuò)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(jī)和 16位 HPC系列單片機(jī)。 （ 5）單總線（ 1wire）串行擴(kuò)展總線 1wire總線是 Dallas公司研制開(kāi)發(fā)的一種協(xié)議，用于便攜式儀表和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。 （ 6） USB（ Universal Serial BUS）串行擴(kuò)展總線 USB總線是 Compaq、 Intel、 Microsoft、 NEC等公司聯(lián)合制定的一種計(jì)算機(jī)串行通信協(xié)議。 串行擴(kuò)展的種類 （ 7） CAN（ Controller Area Network）串行擴(kuò)展總線 CAN總線是德國(guó) Bosch公司最先提出的多主機(jī)局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最初， CAN被設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備。 串行擴(kuò)展的特點(diǎn) 串行擴(kuò)展總線技術(shù)是新一代單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)。與并行擴(kuò)展總線相比，串行擴(kuò)展總線有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)方便，易于實(shí)現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。 常用串行擴(kuò)展總線和接口的特點(diǎn)簡(jiǎn)要說(shuō)明如下： （ 1） UART串行擴(kuò)展接口 UART接口是二線制， 8051單片機(jī)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(shí)現(xiàn) 8051單片機(jī)系統(tǒng)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單機(jī)通信或多機(jī)通信，也可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展I/O口。 串行擴(kuò)展的特點(diǎn) （ 2） I2C總線 I2C總線是二線制，采用器件地址的硬件設(shè)置方法，通過(guò)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(jiǎn)單靈活的擴(kuò)展方法。 I2C總線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。 （ 3） SPI串行擴(kuò)展接口 SPI總線是三線制，可直接與多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，在 SPI從設(shè)備較少而沒(méi)有總線擴(kuò)展能力的單片機(jī)系統(tǒng)中使用特別方便。即使在有總線擴(kuò)展能力的系統(tǒng)中采用 SPI設(shè)備也可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，省掉很多常規(guī)電路中的接口器件，從而提高了設(shè)計(jì)的可靠性。 串行擴(kuò)展的特點(diǎn) （ 4） Microware串行擴(kuò)展接口 Microware總線是三線制，由一根數(shù)據(jù)輸出（ SO）線、一根數(shù)據(jù)輸入（ SI）線和一根時(shí)鐘（ SK）線組成。所有從器件的時(shí)鐘線連接到同一根 SK線上，主器件向 SK線發(fā)送時(shí)鐘脈沖信號(hào)，從器件在時(shí)鐘信號(hào)的同步沿輸出 /輸入數(shù)據(jù)。主器件的數(shù)據(jù)輸出線 SO和所有從器件的數(shù)據(jù)輸入線相接，從器件的數(shù)據(jù)輸出線都接到主器件的數(shù)據(jù)輸入線 SI上。 （ 5） 1wire總線 1wire總線是利用一根線實(shí)現(xiàn)雙向通信，由一個(gè)總線主節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成系統(tǒng)，通過(guò)一根信號(hào)線對(duì)從芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。每一個(gè)符合 1wire協(xié)議的從芯片都有一個(gè)唯一的地址，包括 8位分類碼、 48位的序列號(hào)和 8位 CRC代碼。主芯片對(duì)各個(gè)從芯片的尋找依據(jù)這 64位的不同來(lái)進(jìn)行。單總線節(jié)省 I/O引腳資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)。 串行擴(kuò)展的特點(diǎn) （ 6） USB串行擴(kuò)展接口 USB比較于其他傳統(tǒng)接口的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是即插即用的實(shí)現(xiàn)，即插即用（ PlugandPlay）也稱為熱插拔（ Hot Plugging）。數(shù)據(jù)傳輸速度快， 12 Mb/s； 480 Mb/s。擴(kuò)展方便，使用USB Hub擴(kuò)展，可以連接 127個(gè) USB設(shè)備，連接的方式十分靈活。 （ 7） CAN總線 在由 CAN 總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無(wú)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。CAN 可提供高達(dá) 1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。另外，硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了 CAN的抗電磁干擾能力。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到 10km時(shí)， CAN 仍可提供高達(dá) 50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。 UART串行擴(kuò)展接口 ? 串行口工作方式 ? UART串行擴(kuò)展應(yīng)用實(shí)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(diǎn)。其中方式 0是 8位同步通信方式，用于串 /并或并 /串轉(zhuǎn)換中，常用的串 /并轉(zhuǎn)換芯片有 74LS164和并 /串轉(zhuǎn)換芯片 74LS165等。 ? 74LS164 是一個(gè)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(shù)據(jù)輸入端 ? B：同步串行數(shù)據(jù)輸入端 ? Q0～ Q7： 8位并行數(shù)據(jù)輸出端 ? CK：時(shí)鐘脈沖輸入端 ? CLR：數(shù)據(jù)清除端 (清除輸出數(shù)據(jù)，通常用在移位完成時(shí) ) ? GND：接地端 ? VCC：電源端 串行口工作方式 ? 74LS165 是一個(gè)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(shù)據(jù)端 (通常用在數(shù)據(jù)完全移出后 ) ? CK：內(nèi)部數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘脈沖輸入端 ? D0～ D7：并行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)移出后的空位的邏輯電平信號(hào) ? COK：和 CK聯(lián)合控制數(shù)據(jù)移動(dòng) ? 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
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