【導(dǎo)讀】題目名稱：單片機(jī)I2C串行接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)。專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化10902班。時(shí)間：2020年3月11日至2020年6月10日。仿真調(diào)試過程及結(jié)果總結(jié)........

　　

【正文】 RT f osc /64 或 fosc /32 1 1 3： 9 位 UART 可變 ： SM2 在模式 2和 3中多處理機(jī)通信使能位，在模式 2或 3中，若 SM2=1，且接收到的第 9 位數(shù)據(jù) RB8 是 0，則 RI 接收中斷標(biāo)志不會(huì)被激活，在模式 1 中，若SM2=1 且沒有接收到有效的停止位，則 RI 不會(huì)被激活，在模 式 0 中， SM2 必須是單片機(jī) I2C 串行口擴(kuò)展設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 74 頁 0。 ： REN 允許接收位，由軟件置位或清除， REN=1 時(shí)，允許接收， REN=0 時(shí)，禁止接收。 ： TB8 模式 2 和 3 中發(fā)送的第 9 位數(shù)據(jù)，可以按需要由軟件置位或清除 . ： RB8 模式 2 和 3 中已接收的第 9 位數(shù)據(jù)，在模式 1 中，或 sm2=0，RB8 是已接收的停止位，在模式 0 中 RB8 未用。 ： TI 發(fā)送中斷標(biāo)志，模式 0 中，在發(fā)送完第 8 位數(shù)據(jù)時(shí)，由硬件置位其它模式中，在發(fā)送停止位之初，由硬件置位，在任何模式中，都必須由軟件來清除TI。 ： RI 接收中斷標(biāo)志，模式 0 中，接收第 8 位結(jié)束時(shí)由硬件置位，其它模式中，在接收停止位的中間時(shí)刻，由硬件置位，在任何模式 (SM2 所述情況除外 )必須由軟件清除 RI。 4. 波特率 操作模式 0 的波特率是固定的，為 fosc/12，模式 2 的波特率是 MCU 時(shí)鐘 /64 或 MCU 時(shí)鐘 /32 ，取決于 PCON 寄存器中的 SMOD1 位的值，若 SMOD1=0 復(fù)位值，波特率為 MCU 時(shí)鐘 /64，若 SMOD1=1，波特率為 MCU 時(shí)鐘 /32。 在 80C51 中，模式 1 和模式 3 的波特率由定時(shí)器 1 的溢出速率決定。 時(shí)鐘輸出頻率 ， 由振蕩器頻率和定時(shí)器 2 捕獲寄存器的重新裝入值確定 ， 公式如下 （ 1） 此處： n = 16 (6 時(shí)鐘模式 )或 32 (12 時(shí)鐘模式 ) 單片機(jī) CPU的結(jié)構(gòu)和功能 1. 存儲(chǔ)空間配置和功能 80C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器（ ROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）。程序存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用程序。由于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)一般開發(fā)調(diào)試成功系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 74 頁 后的應(yīng)用程序不再需要改變，常用就性地存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中，故單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器都采用只讀存儲(chǔ)器。 根據(jù)不同用戶的需要，只讀存儲(chǔ)器又分為片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器和片外只讀存儲(chǔ)器，片外只讀存儲(chǔ)器是用來克服片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量不足的缺點(diǎn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來避免片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間不足的情況發(fā)生 。 2. FLASH EPROM 存儲(chǔ)器 P89C51X2/52X2/54X2/58X2 在 10000 次擦除和編程之后仍能可靠保存 FLASH 存儲(chǔ)器的內(nèi)容存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)使得擦除和編程結(jié)構(gòu)最優(yōu)化此外先進(jìn)的溝道氧化工藝 帶片擦除的 FLASH EPROM內(nèi)和低內(nèi)部電場的結(jié)合使擦除和編程操作更加可靠。 特性： 部程序存儲(chǔ)器。 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器禁止時(shí) EA=0外部程序存儲(chǔ)器最多可達(dá) 64K。 可編程加密位。 每字節(jié)最少 10000次擦除 /編程周期。 數(shù)據(jù)最少可保存 10年。 3. 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 為輸入和輸出可分別作為一個(gè)反相放大器的輸入和輸出，此管腳可配置為使用內(nèi)部振蕩器，要使用外部時(shí)鐘，源驅(qū)動(dòng)器件時(shí) XTAL2 可以不連接。而由 XTAL1驅(qū)動(dòng)外部時(shí)鐘信號(hào)無占空比的要求。因?yàn)闀r(shí)鐘通過觸發(fā)器二分頻輸入到內(nèi)部時(shí)鐘電路 。但高低電平的最長和最短時(shí)間必須符合手冊(cè)的規(guī)定。 4. 定時(shí)器 0和 1 定時(shí)和計(jì)數(shù)功能由特殊功能寄存器 TMOD 的控制位 C/T 進(jìn)行選擇這兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器有 4 種操作模式通過 TMOD 的 M1 和 M0 選擇兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器的模式 0 1 和 2 都相同模式 3不同 單片機(jī) I2C 串行口擴(kuò)展設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 74 頁 圖 4 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的基本組成 5. 中斷 本手冊(cè)所講述的器件提供 6 個(gè)中斷源，外部中斷 INT0 和 INT1 可根據(jù)寄存器TCON 中的 IT0 和 IT1 位狀態(tài)分別設(shè)置為電平或者邊沿觸發(fā)，實(shí)際產(chǎn)生的中斷標(biāo)志是TCON 中的位 IE0 和 IE1 ，當(dāng)產(chǎn)生外部中斷時(shí)，如果是邊沿觸發(fā)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后由硬件清除中斷標(biāo)志位，如果中斷是電平觸發(fā)，由外部請(qǐng)求源而不是由片內(nèi)硬件控制請(qǐng)求標(biāo)志。 定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 中斷由 TF0 和 TF1 （分別由各自的定時(shí) /計(jì)數(shù)寄存器控制，定時(shí)器 0 工作在模式 3時(shí)除外）產(chǎn)生，當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后由片內(nèi)硬件清除標(biāo)志位。 串口中斷由 RI 和 TI 的邏輯或產(chǎn)生，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，這些標(biāo)志均不能被硬件清除，實(shí)際上，中斷服務(wù)程序通常需要確定是由 RI 還是 TI 產(chǎn)生的中斷，然后由軟件清除中 斷標(biāo)志。 所以這些產(chǎn)生中斷的位都可通過軟件置位或清零，與通過硬件置位或清零的效果相同。簡而言之，中斷可由軟件產(chǎn)生，推遲或取消。 每個(gè)中斷源可通過置位或清零寄存器 IE中的相應(yīng)位分別使能或禁止， IE 中還包含一個(gè)全局禁止位 EA， 如果兩個(gè)同優(yōu)先級(jí)的中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷內(nèi)部查詢順序?qū)⒋_定首先響應(yīng)哪一個(gè)中斷請(qǐng)求查詢順序。 如下所示： 中斷源 同級(jí)優(yōu)先級(jí) 1. IE0 外部中斷 0 最高 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 74 頁 2. TF0 定時(shí)器 0 3. IE1 外部中斷 1 4. TF1 定時(shí)器 1 5. RI+TI UART 6. TF2， EXF2 定時(shí)器 2 最低 注；同級(jí)優(yōu)先級(jí)只用來處理相同優(yōu)先級(jí)別中斷源同時(shí)申請(qǐng)中斷的情況 圖 5 中斷優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu) 6. 片內(nèi) RAM結(jié)構(gòu)和功能 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是最靈活的地址空間。它在物理上又分為兩個(gè)獨(dú)立的功能不同的區(qū)。 ? 片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)： 對(duì) 80C51 型單片機(jī)，為地址空間的低 128 字節(jié)； 對(duì) 80C52 型單片機(jī)，為地址空間的 0～ 255 字節(jié)。 ? 特殊功能寄存器 SFR 區(qū)：地址空間的高 128 字節(jié)。 下圖 6 為片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)地址空間分布圖： 單片機(jī) I2C 串行口擴(kuò)展設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 74 頁 圖 6 片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM區(qū)地址空間分布 在片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)，根據(jù)不同的尋址方式又可分為以下幾個(gè)區(qū)域： 1) 工作寄存器區(qū) 該區(qū)域是用寄存器尋址的區(qū)域，指令的數(shù)量最多，均為單周期指令，執(zhí)行的速度最快。從圖知，片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)的 0～ 31（ 00H～ 1FH），共 32 個(gè)單元，是 4 個(gè)通用工作寄存器組，每組包含 8 個(gè) 8 位寄存器，編號(hào)為 R0～ R7。在某一時(shí)刻，只能選用一個(gè)工作寄存器組。其選擇是通過軟件對(duì)程序狀態(tài)字（ PSW）中的 RS0、 RS1 位的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的。 2) 位尋址區(qū) 片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)的 32～ 47（ 20H～ 2FH）的 16 字節(jié)單元，共包含 128 位，是可位尋址的 RAM 區(qū)。這 16 字節(jié)單元既可進(jìn)行字節(jié)尋址，又可實(shí)現(xiàn)位尋址。 3) 字節(jié)尋址區(qū) 片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)的 48～ 127（ 30H～ 7FH），共 80 字節(jié)單元，可以采用直接字節(jié)尋址的方法訪問。 4) 堆棧區(qū) 堆棧是在片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM 區(qū)中，數(shù)據(jù)先進(jìn)后出或后進(jìn)先出的區(qū)域。堆棧共有兩種操作：進(jìn)棧和出棧。不論是數(shù)據(jù)進(jìn)棧還是數(shù)據(jù)出棧，都是對(duì)棧頂單元的讀 /寫操作。 7. 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器 SFR 是 80C51 單片機(jī)中各功能部件所對(duì)應(yīng)的寄存器，用以存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)和 數(shù)據(jù)。 80C51 系列單片機(jī)設(shè)有 128 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 74 頁 RAM 結(jié)構(gòu)的特殊功能寄存器空間區(qū)。除程序計(jì)數(shù)器 PC 和 4 個(gè)通用工作寄存器組外，其余所有的寄存器都在這個(gè)地址空間內(nèi)。在 80C51 的 21 個(gè)特殊功能寄存器中，字節(jié)地址中低位地址為 0H 或 8H 的特殊功能寄存器除有字節(jié)尋址能力外，還有位尋址能力。 8. 程序計(jì)數(shù)器 PC 的作用和基本工作方式 1） PC 的作用 程序計(jì)數(shù)器 PC 是中央控制器中最基本的寄存器，是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，存放著下一條將要從程序存儲(chǔ)器中取出的指令的地址。其基本的工作過程是：讀指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將其中的數(shù)作為 所取指令的地址輸出給程序存儲(chǔ)器，然后程序存儲(chǔ)器按此地址輸出指令字節(jié)，同時(shí)程序計(jì)數(shù)器本身自動(dòng)加 1，指向下一條指令地址。程序計(jì)數(shù)器變化的軌跡決定程序的流程。 2） PC 的基本工作方式 ① 程序計(jì)數(shù)器 PC 自動(dòng)加 1，這是最基本的工作方式。 ② 執(zhí)行條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將被置入新的數(shù)值，程序的流向發(fā)生變化。 ③ 在執(zhí)行調(diào)用指令或響應(yīng)中斷時(shí)： ●PC的現(xiàn)行值，即下一條將要執(zhí)行的指令的地址，被送入堆棧，加以保護(hù)。 ●將子程序的入口地址或者中斷矢量地址送入 PC，程序流向發(fā)生變化，執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)程序。子程序或中 斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，遇到返回指令 RET 或 RETI時(shí)，將棧頂?shù)膬?nèi)容送到 PC 寄存器中，程序流程又返回到原來的地方，繼續(xù)執(zhí)行。 9. 時(shí)鐘和時(shí)序 1） 80C51 的時(shí)鐘 80C51 時(shí)鐘電路由振蕩器及定時(shí)控制單元、時(shí)鐘發(fā)生器及地址鎖存允許信號(hào) ALE組成。單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只要在片外通過 XTAL1 和 XTAL2 引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩器和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在 ～ 12MHZ 之間，現(xiàn)在由于制造工藝的改進(jìn)，頻率范圍可達(dá) 0～40MHZ。本設(shè)計(jì)電路選用 12M 晶振。 單片機(jī) I2C 串行口擴(kuò)展設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 74 頁 2） 80C51 指令時(shí)序 80C51 共有 111 條指令，全部指令按其長度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。執(zhí)行這些指令所需要的機(jī)器周期數(shù)目是不同的，概括起來共有以下幾種情況：單字節(jié)單機(jī)器周期指令、單字節(jié)雙機(jī)器周期指令、雙字節(jié)單機(jī)器周期指令和雙字節(jié)雙機(jī)器周期指令；三字節(jié)指令都是雙機(jī)器周期的，而單字節(jié)乘除指令則均為四機(jī)器周期的。 3）復(fù)位電路、復(fù)位條件和復(fù)位后狀態(tài) 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，是單片機(jī)從0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常 初始化外，當(dāng)由于程序運(yùn)行錯(cuò)誤或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。 4）復(fù)位電路 復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位三種方式，本設(shè)計(jì)采用按鍵電平復(fù)位，其中EA接低電平，允許使用外部存儲(chǔ)器。 圖 7 復(fù)位電路 I2C 總線介紹 I2C BUS(Inter IC BUS)是 Philips 推出的芯片間串行傳輸總線，他以兩根連線實(shí)現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。 I2C總線采用了器件地址的硬件 設(shè)置方法，通過軟件尋址避免了器件片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有最簡單而靈活的擴(kuò)展方法。按照 I2C 總線規(guī)范，總線傳輸中的所有狀態(tài)都生成相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)嗎，系統(tǒng)中的主機(jī)能夠依照這些狀態(tài)嗎自動(dòng)地進(jìn)行總線管系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 74 頁 理，用戶只要在程序中裝入這些標(biāo)準(zhǔn)處理模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)操作要求完成 I2C 總線的初始化，啟動(dòng)總線就能自動(dòng)完成規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送操作。 由于 I2C 總線均為開漏或開集電極輸出，故需要加上拉電阻 R，系統(tǒng)中所有的單片機(jī)、外圍器件都將 SDA(數(shù)據(jù)線 )、 SCL（時(shí)鐘線）的同名端相連在一起，總線上的所有節(jié)點(diǎn)都由器件和引腳給定地址。 系統(tǒng) 中可以直接連接具有 I2C 總線接口的單片機(jī)，如： 8XC55 8XC65M86H05T7 等；可以通過 I2C 總線接口擴(kuò)展器件 PCD8584 與不帶 I2C 接口的各類單片機(jī)或其他微處理器相連；通過 I2C 總線兼容的 ACCESS BUS 可以與通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；在 I2C 總線上可以掛接各種類型的外圍器件如： RAM/E2PROM、日歷 /時(shí)鐘、 A/D、 D/A 以及由 I/O 口、顯示驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的各種模塊。 從上述介紹可知，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，串行外圍器件擴(kuò)展采用 I2C 總線具有較好的擴(kuò)展性能，目前， I2C 總線已被不少公司所引用，如 MOTOROM 公司在 M68HC05系列單片機(jī)中已引入 I2C 總線，所以 I2C 總線是一種很有發(fā)展前途的總線。 I2C總線的結(jié)構(gòu)與工作原理 1. I2C 總線的應(yīng)用范圍及優(yōu)勢 在現(xiàn)代消費(fèi)類產(chǎn)品、通訊類產(chǎn)品、儀器儀表、工業(yè)測控系統(tǒng)中，逐漸形成了以一個(gè)或多個(gè)單片機(jī)（ microcontroller）組成的智能系統(tǒng)，這些應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)都有相似之處： 1） 單片機(jī)電路