【正文】 第五章 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展及接口技術(shù) 系統(tǒng)擴(kuò)展概述 串行擴(kuò)展總線接口技術(shù) 并行擴(kuò)展三總線的產(chǎn)生 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 I/O口的擴(kuò)展 鍵盤與顯示器接口技術(shù) 數(shù) /模與模 /數(shù)轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 1. 最小應(yīng)用系統(tǒng) ——單片機(jī)所具有的各種功能能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求 ，不需要進(jìn)行擴(kuò)展的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 。 第五章 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展及接口技術(shù) 如： ① 8051 ② 8751 ③ 89C51 ④ 外接了 EPROM的 8031 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 。 30PF 30PF 6MHZ 8051 8751 89C51 VCC VC XLAT1 P0 XLAT2 P2 RESET P3 P1 系統(tǒng)擴(kuò)展概述 2. 系統(tǒng)擴(kuò)展 ——當(dāng)單片機(jī)最小系統(tǒng)不能滿足系統(tǒng)功能要求時(shí) ， 需要擴(kuò)展 ROM 、 RAM、 I/O口及其它所需的外圍芯片 。 ③ 輸入 /輸出接口擴(kuò)展 簡單的 I/O接口 (中小規(guī)模集成電路 ) ——適用于較簡單的擴(kuò)展系統(tǒng) 可編程 I/O接口 (8155/8255/8253/8250/8251…… ) 系統(tǒng)擴(kuò)展一般有下列幾方面內(nèi)容： ① 外部程序存儲(chǔ)器 E2PROM / EPROM 的擴(kuò)展 ② 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 的擴(kuò)展 E2PROM既可以擴(kuò)展為片外 EPROM， 也可以擴(kuò)展為片外 RAM. ? 擴(kuò)展應(yīng)盡量采用串行擴(kuò)展方案。通過 SPI或 I2C總線擴(kuò)展 E2PROM、 A/D、 D/A、 顯示器、看門狗、時(shí)鐘等芯片，占用 MCU的 I/O口線少，編程也方便。 串行擴(kuò)展總線接口技術(shù) 一、 SPI（ 串行外設(shè)接口）總線 SPI（ Serial Peripheral Interface）總線 一種同步串行外設(shè)接口，用于 MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信（ 8位數(shù)據(jù)同時(shí)同步地被發(fā)送和接收），系統(tǒng)可配置為主或從操作模式。 SPI總線定義： 串行時(shí)鐘線（ SCK，同步脈沖） 主機(jī)輸入 /從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（ MISO，高位在前） 主機(jī)輸出 /從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（ MOSI，高位在前） 從機(jī)選擇線 CS(SS） 89C51除自身具有 UART可用于串行擴(kuò)展 I/O口（方式 0）以外，還可利用它的 3～ 4根 I/O口線進(jìn)行 SPI或 I2C的外設(shè)芯片擴(kuò)展、以及 單總線 的擴(kuò)展。 ? SPI系統(tǒng)可直接與多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口。 外圍設(shè)備包括：簡單的移位寄存器（用作并行輸入或輸出口）至復(fù)雜的 LCD顯示驅(qū)動(dòng)器或 A/D轉(zhuǎn)換器等。 ? 與并行總線相比， SPI總線的使用可以簡化電路設(shè)計(jì)，省掉了很多常規(guī)電路中的接口器件，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。 1. SPI總線系統(tǒng)的組成 SPI總線系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖。 注： 有多個(gè) SPI接口的單片機(jī)時(shí)，應(yīng)為一主多從，在某一時(shí)刻只能由一個(gè)單片機(jī)為主器件； 在擴(kuò)展多個(gè) SPI外圍器件時(shí)，單片機(jī)應(yīng)分別通過I/O口線來分時(shí)選通外圍器件。 ? SPI主機(jī)方式最高數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) Mb/s。 數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位（ MSB） 在前，低位 (LSB） 在后。輸入輸出可同時(shí)進(jìn)行。 ? 從器件只能在主機(jī)發(fā)命令時(shí)，才能接收或向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。 ? 主 SPI的時(shí)鐘信號(hào)（ SCK） 使傳輸同步。 ? SPI總線有以下主要特性： 全雙工、 3線同步傳輸；主機(jī)或從機(jī)工作；提供頻率可編程時(shí)鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；寫沖突保護(hù)；總線競爭保護(hù)等。典型時(shí)序圖如下所示（在一個(gè) CLK中，下降沿輸出，上升沿輸入?；蚍粗?。 圖 82 SPI串行總線典型時(shí)序圖 2. 89C51單片機(jī)串行擴(kuò)展 SPI外設(shè)接口的方法 （ 1） 用一般 I/O口線模擬 SPI操作 對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。 ? 對(duì)于在時(shí)鐘上升沿輸入數(shù)據(jù)和在下降沿輸出數(shù)據(jù)的器件，一般取時(shí)鐘輸出 1；在允許接口芯片后，置 0。 圖 83為 89C51與 MCM2814（ E2PROM） 的硬件連接圖。 ? MCU的數(shù)據(jù)輸出端（ MOSI）， SPI的 SCK輸出端， SPI的從機(jī)選擇端， SPI的數(shù)據(jù)輸入端（ MISO）。 輸出 輸入 對(duì) 2814，有： ?MCU輸出 1位 SCK時(shí)鐘的低電平 ，使 接口芯片串行左移 ， 1位數(shù)據(jù) 輸入 至 89C51的 (模擬 MCU的 MISO線）；再置 1，使 89C51從 1位數(shù)據(jù)（先為高位）至串行接口芯片。 … 依次循環(huán) 8次，完成 1次通過 SPI傳輸 1個(gè)字節(jié)的操作。 ?用于 89C51模擬 SPI串行輸入、串行輸出和串行輸入 /輸出的 3個(gè)子程序 如下 。它們 適用于在串行時(shí)鐘的 下降沿輸出 和 上升沿輸入 的各種串行外圍接口芯片 ，如 A/D芯片， 74系列輸出芯片等。 ? 對(duì)于在 SCK的下降沿輸入、上升沿輸出的 器件 ，只須改變 的輸出順序?？扇〈袝r(shí)鐘輸出的 初態(tài)為 0，在接口芯片允許時(shí)，先置 1，接口芯片輸出 1位數(shù)據(jù)（ MCU接收 1位數(shù)據(jù)）；再置 0，接口芯片接收 1位數(shù)據(jù)（ MCU發(fā)送 1位數(shù)據(jù)），完成 1位數(shù)據(jù)的傳送。 單片機(jī)模擬 1位數(shù)據(jù)輸入 /輸出的過程： 例 1. MCU串行輸入子程序 SPIIN 從 2814的 SPISO線上接收 1字節(jié)數(shù)據(jù)并放入寄存器 R0中。 SPIIN： SETB ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 1 CLR ； 選擇從機(jī) MOV R1， 08H ； 置循環(huán)次數(shù) SPIN1： CLR ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 0 （有效） NOP ； 延時(shí) NOP MOV C， ； 從機(jī)輸出 SPISO送進(jìn)位 C RLC A ； 左移至累加器 ACC SETB ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 1 DJNZ R1， SPIN1 ； 判斷是否循環(huán) 8次（ 1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)） MOV R0， A ； 1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)送 R0 RET ； 返回 例 2. MCU串行輸出子程序 SPIOUT 將 89C51中 R0寄存器的內(nèi)容傳送到 2814的 SPISI線上。 SPIOUT： SETB ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 1 CLR ； 選擇從機(jī) MOV R1， 08H ； 置循環(huán)次數(shù) MOV A， R0 ； 1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)送累加器 ACC SPIOT1： CLR ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 0 NOP ； 延時(shí) NOP RLC A ； 左移累加器 ACC最高位至 C MOV ， C ； 進(jìn)位 C送從機(jī)輸入 SPISI線上 SETB ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 1（有效） DJNZ R1， SPIOT1 ； 判斷是否循環(huán) 8次（ 1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)） RET ； 返回 例 3. MCU串行輸入 /輸出子程序 SPIIO 將 89C51中 R0的內(nèi)容傳送到 2814的 SPISI線上，同時(shí)從 2814的 SPISO接收 1字節(jié)數(shù)據(jù)存入 R0中。 SPIIO： SETB ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 1 CLR P1,2 ； 選擇從機(jī) MOV R1， 08H ； 置循環(huán)次數(shù) MOV A， R0 ； 1字節(jié)數(shù)據(jù)送累加器 ACC SPIO1： CLR ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 0 （輸入有效） NOP ； 延時(shí) NOP MOV C， ； 從機(jī)輸出 SPISO送進(jìn)位 C RLC A ； 左移 ACC最高位至 C， C至 ACC MOV ， C ； 進(jìn)位 C送從機(jī)輸入 SETB ； 使 （ 時(shí)鐘）輸出為 1 （輸出有效） DJNZ R1， SPIO1 ； 判斷是否循環(huán) 8次 MOV R0， A RET ； 返回 （ 2） 利用 89C51串行口方式 0實(shí)現(xiàn) SPI操作 常用于開關(guān)量 I/O、 A/D、 D/A、 時(shí)鐘、顯示及打印功能等。 ?串行時(shí)鐘芯片 在對(duì) 絕對(duì)時(shí)鐘 要求較高的場合使用外部時(shí)鐘芯片，串行日歷時(shí)鐘芯片 HT1380就是一個(gè)典型的器件。 圖 84 HT1380與單片機(jī)接口電路 ? I/O端：串行輸入輸出端口 ? RST： 復(fù)位 PIN ? RST 為高時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行讀 /寫操作（類似于芯片選擇信號(hào)） 。 為低時(shí)， I/O引腳對(duì)外是高阻狀態(tài)，因此它允許多個(gè)串行芯片同時(shí)掛接在串行端口上。 ?串行 LED顯示接口 MAX7219 MAX7219可驅(qū)動(dòng) 8個(gè) LED顯示器， 89C51與它的接口如圖： 圖 85 MAX7219與單片機(jī)接口電路 ? 單片機(jī)通過串行口以方式0與 MAX7219交換信息： ? TXD作為移位時(shí)鐘 RXD作為串行數(shù)據(jù) I/O端 Load為芯片選擇端 ? 當(dāng) Load低電平時(shí)，對(duì) 7219進(jìn)行讀 /寫操作；當(dāng) Load為高電平時(shí)， DIN處于高阻狀態(tài)。 ? 7219同樣允許多個(gè)串行接口芯片共同使用 89C51的串行口。 ? 串行接口芯片的一般接口規(guī)律 單片機(jī)通過串行接口可以與 E2PROM、 A/D、 D/A芯片等連接。串行接口方式遵循： ? 通過單片機(jī)的開關(guān)量 I/O口線進(jìn)行芯片選擇； ? 當(dāng)芯片未選中時(shí)，數(shù)據(jù)端口處于高阻狀態(tài)； ? 與單片機(jī)交換信息時(shí)，要求單片機(jī)串行口以方式 0進(jìn)行； ? 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的幀格式要求先傳送命令 /地址，再傳送數(shù)據(jù)； ? 具有圖 87所示的時(shí)序波形。 ?圖 87 串行接口信號(hào)的一般時(shí)序圖 ? 擴(kuò)展多個(gè)串行接口芯片時(shí)典型控制器的結(jié)構(gòu) ? 同時(shí)擴(kuò)展多個(gè)串行接口芯片的控制電路如圖： 圖 88 基于串行接口控制器的電路結(jié)構(gòu)圖 ? 由于單片機(jī)無并行總線擴(kuò)展，節(jié)余的資源可以作為打印機(jī)輸出控制、功能鍵、中斷邏輯等電路。 ? 串行接口的使用擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能，并極大地利用了系統(tǒng)資源，且接口簡單，控制器體積減小，可靠性提高。 ?系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與常規(guī)的單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)類似，只是在芯片選擇方面不是通過地址線完成，而是通過 I/O口線來實(shí)現(xiàn)。 二、 I2C總線 I2C總線是 PHILIPS公司推出的同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線。在很多器件上都配備有 I2C總線接口，使用時(shí)一般需要通過 I2C總線進(jìn)行控制。 1. I2C總線的概念 ? 是一種具有自動(dòng)尋址、高低速設(shè)備同步和仲裁等功能的高性能串行總線，能夠?qū)崿F(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，是總線中使用信號(hào)線數(shù)量較少的。 ? I2C總線 只有 兩根信號(hào)線： 數(shù)據(jù)線 SDA和 時(shí)鐘線 SCL。 ? 總線傳輸速率 100 kb/s（ 改進(jìn)后的規(guī)范為 400 kb/s）， 總線驅(qū)動(dòng)能力為 400pF。 ? 進(jìn)入 I2C總線系統(tǒng)中的設(shè)備都帶有 I2C總線接口，符合 I2C總線的電氣規(guī)范， I2C總線上所有節(jié)點(diǎn)的串行數(shù)據(jù)線 SDA和時(shí)鐘線 SCL分別與總線的 SDA和 SCL相連。 ? 各節(jié)點(diǎn)供電可以不同，但需共地， SDA和 SCL需分別接上拉電阻。 圖 89 I2C總線典型系統(tǒng)示意圖 ? 當(dāng)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送時(shí) ——主器件： 啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件； 從器件： 被尋址的任何器件； 發(fā)送器： 發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上的器件； 接收器： 從總線上接收數(shù)據(jù)的器件。 ? I2C總線是 多主機(jī) 總線， 總線上 可以有兩個(gè)或更多的能夠控制總線的器件（多個(gè)單片機(jī)）；同時(shí) I2C總線還具有仲裁功能，當(dāng)一個(gè)以上的主器件同時(shí)試圖控制總線時(shí)，只允許一個(gè)有效，從而保證數(shù)據(jù)不被破壞。 ? I2C總線的尋址采用純軟件的尋址方法。 ?主控發(fā)送器、主控接收器、被控發(fā)送器、被控接收器 ? 主機(jī)先發(fā)送 啟動(dòng)信號(hào) （和時(shí)鐘），隨后發(fā)送 尋址字節(jié) 來尋址被控器件，并規(guī)定數(shù)據(jù)傳送方向。 ? 尋址字節(jié)由 7位從機(jī)地址 (D7～ D1)和 1位方向位 (D0， 讀 0 /寫1 )組成。 ? 當(dāng)主機(jī)發(fā)送尋址字節(jié)時(shí)，總線上所有器件都將其中的高 7位地址與自己的比較，若相同，則該器件根據(jù)讀 /寫位確定是從發(fā)送器還是從接收器 。 若為從接收器，在尋址字節(jié)之后，主控發(fā)送器通過 SDA線向從接收器 發(fā)送信息 ，信息發(fā)送完畢后 發(fā)送終止信號(hào) ，以結(jié)束傳送過程。 若為從發(fā)送器，尋址字節(jié)之后，主控接收器通過 SDA線接收被控發(fā)送器的 發(fā)送信息 。 ?注意： 不論主控器是向被控器發(fā)送還是讀取信息，被傳信息的起始和終止信號(hào)以及時(shí)鐘信號(hào)都是由主控器發(fā)送的。 ?數(shù)據(jù)傳送時(shí) 圖 810 I2C總線外圍擴(kuò)展示意圖 2. I2C總線的應(yīng)用 I2C總線外圍擴(kuò)展示意圖如圖： ?常用的 I2C總線外圍通用器件、外圍設(shè)備模塊、