面向接口的編程——SPI總線和IIC總線

>>> 4.4.1 中斷與事件驅(qū)動(dòng)

無(wú)論采用哪種總線都使用時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)/控制線，時(shí)鐘信號(hào)由 MCU 主機(jī)進(jìn)行控制。用于控制的信號(hào)線中的 SPI 為 4 根，除了具有傳輸?shù)男盘?hào)外，還具有片選信號(hào)，通過(guò)該信號(hào)的有效與否，主機(jī)指定哪個(gè)器件作為目標(biāo)對(duì)象。

>>> 4.6.1 SPI 總線簡(jiǎn)介

在這里，以 LPC824 為例來(lái)介紹主機(jī) SPI 的原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)。

• SSEL：片選輸入

當(dāng) SPI 作為主機(jī)時(shí)，則在串行數(shù)據(jù)啟動(dòng)前驅(qū)動(dòng) SSEL 信號(hào)，使之變?yōu)橛行顟B(tài)，并在串行數(shù)據(jù)發(fā)送后釋放該信號(hào)，使之變?yōu)闊o(wú)效狀態(tài)。默認(rèn) SSEL 為低電平有效，也可將其選為高電平有效。當(dāng) SPI 作為從機(jī)時(shí)，處于有效狀態(tài)的任意 SSEL 信號(hào)都表示該從機(jī)正在被尋址。

• MOSI ：主機(jī)輸出從機(jī)輸入

MOSI 信號(hào)可將串行數(shù)據(jù)從主機(jī)傳送到從機(jī)。當(dāng) SPI 作為主機(jī)時(shí)，則串行數(shù)據(jù)從 MOSI輸出；當(dāng) SPI 作為從機(jī)時(shí)，則串行數(shù)據(jù)從 MOSI 輸入。

• MISO ：主機(jī)輸入從機(jī)輸出

MISO 信號(hào)可將串行數(shù)據(jù)由從機(jī)傳送到主機(jī)。當(dāng) SPI 作為主機(jī)時(shí)，則串行數(shù)據(jù)從 MISO輸入；當(dāng) SPI 作為從機(jī)時(shí)，則串行數(shù)據(jù)輸出至 MISO。

• SCK：時(shí)鐘信號(hào)

SCK 同步數(shù)據(jù)傳送時(shí)鐘信號(hào)。它由主機(jī)驅(qū)動(dòng)從機(jī)接收，使用 SPI 接口時(shí)，則時(shí)鐘可編程為高電平有效或低電平有效。

>>> 4.6.2 74HC595 接口

在同一時(shí)鐘信號(hào)作用下，74HC595 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行輸入/并行輸出轉(zhuǎn)換。除了 8 個(gè)并行輸出口之外，74HC595 還有 5 個(gè)輸入控制口，其中的Q ₇ ~ Q ₀ 端輸出；同時(shí)將V _CC ，從而保證 74HC595 處于永久選通狀態(tài)。另外還有 3 個(gè)輸入端：CP 時(shí)鐘信號(hào)端、D 數(shù)據(jù)輸入端與 STR 鎖存信號(hào)，其分別連接 MCU 的 SCK、MOSI 與 SSEL，詳見(jiàn)圖 4.18。

圖 4.18 74HC595 電路圖

在 CP 時(shí)鐘信號(hào)上升沿的作用下，保證將加載 D端的二進(jìn)制數(shù)據(jù)依次送入 74HC595 中。當(dāng)數(shù)據(jù)移位完成后，在 STR 上升沿的作用下，數(shù)據(jù)將一次性地在 Q ₇ ~ Q ₀ 端輸出，從而保證在移位的過(guò)程中，輸出端的數(shù)據(jù)保持不變。

MiniPort-595 模塊采用 74HC595 擴(kuò)展 8 路 I/O，可以直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示模塊，其對(duì)應(yīng)AM824-Core 的 MiniPort 接口 J4 功能定義詳見(jiàn)圖 4.19（b）。MiniPort-595 模塊輸出信號(hào)引腳J2 功能定義詳見(jiàn)圖 4.19（c）。

圖 4.19 595 模塊實(shí)物與控制接口定義

假設(shè)要將 1000 0000 串行傳送到 74HC595 的并行輸出端 Q ₇ ~ Q ₀，此數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的作用下，從 Q ₇ ~ Q ₀逐位送到串行數(shù)據(jù)輸入端 D。待 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，10000000在Q ₇ ~ Q ₀并行輸出。AMetal針對(duì) 74HC595 提供了相應(yīng)的 hc595.h 接口，詳見(jiàn)程序清單 4.44。

程序清單 4.44 hc595.h 接口

由此可見(jiàn)，在初始化 74HC595 相關(guān)的操作后調(diào)用 hc595_send_data()，則串行輸入并行輸出一個(gè) 8 位二進(jìn)制數(shù)，74HC595 的輸出管腳當(dāng)作 8位 I/O 口使用。此前控制 8 個(gè) LED 流水燈不得不使用 8 個(gè) I/O 口，現(xiàn)在有了 74HC595，則可以節(jié)省的更多 I/O 口留作其它用途。

顯然，只要將 AM824-Core 主機(jī)、MiniPort-595 模塊的 MiniPort A（排針）與 MiniPort-LED 模塊的 MiniPort B（排母）直接對(duì)插即可，其原理圖詳見(jiàn)圖 4.20，模塊的組合詳見(jiàn)圖 4.21（a），組合之后對(duì)應(yīng) MCU 的 MiniPort 接口 J4 端口功能定義詳見(jiàn)圖 4.21（b），MCU 通過(guò) STR、CP和 D 這 3 個(gè)端口控制 74HC595 芯片驅(qū)動(dòng)8 個(gè) LED，詳見(jiàn)程序清單 4.45。

圖 4.20 8 路輸出 I/O 擴(kuò)展

圖 4.21 模塊組合實(shí)物與控制接口定義

程序清單 4.45 74HC595 通用接口范例程序

顯然，同樣可以用 74HC595 來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的 8 個(gè)段，其原理圖詳見(jiàn)圖 4.22。

圖 4.22 2 位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

將AM824-Core、MiniPort-595模塊的MiniPort A（排針）與MiniPort-View模塊的MiniPort B（排母）3 個(gè)模塊直接對(duì)插即可，詳見(jiàn)圖 4.23（a），組合之后對(duì)應(yīng) MCU 的MiniPort接口J4功能定義詳見(jiàn)圖4.23 （b）。MCU 除了使用 STR、CP 和 D 端口控制74HC595，還需要使用 COM0 和 COM1控制數(shù)碼管的位選。

圖 4.23 模塊組合實(shí)物與控制接口定義

其實(shí)使用 74HC595 與直接使用 I/O驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，唯一的不同是段碼的輸出方式不一樣，因此僅需修改段碼傳送函數(shù)，并將實(shí)現(xiàn)代碼添加到digitron1.c 中，詳見(jiàn)程序清單 4.46。

程序清單 4.46 新增 74HC595 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的相關(guān)函數(shù)

由于用戶不會(huì)直接調(diào)用 digitron_hc595_segcode_set()，因此僅將 digitron_hc595_init()和digitron_hc595_disp_scan()添加到程序清單 4.47 所示的 digitron1.h 接口中。

程序清單 4.47 digitron1.h

當(dāng)使用 74HC595 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管時(shí)，只要調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可，詳見(jiàn)程序清單 4.48。

程序清單 4.48 74HC595 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)秒計(jì)數(shù)器范例程序

4.7 I²C 總線

>>> 4.7.1 I²C 總線簡(jiǎn)介

I²C 總線（Inter Integrated Circuit）是 NXP 公司開(kāi)發(fā)的用于連接微控制器與外圍器件的兩線制總線，不僅硬件電路非常簡(jiǎn)潔，而且還具有極強(qiáng)的復(fù)用性和可移植性。I²C 總線不僅適用于電路板內(nèi)器件之間的通信，而且通過(guò)中繼器還可以實(shí)現(xiàn)電路板與電路板之間長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸，因此使用 I²C 器件非常容易構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)。其特點(diǎn)如下：

• 總線僅需 2 根信號(hào)線，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互連成本；

• 同一條 I²C 總線上可以掛接多個(gè)器件，器件之間按不同的編址區(qū)分，因此不需要任何附加的 I/O 或地址譯碼器；

• 非常容易實(shí)現(xiàn) I²C 總線的自檢功能，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)總線的異常情況；

• 總線電氣兼容性好，I²C 總線規(guī)定器件之間以開(kāi)漏 I/O 互連，因此只要選取適當(dāng)?shù)纳侠?a target="_blank">電阻就能輕易實(shí)現(xiàn) 3V/5V 邏輯電平的兼容；

• 支持多種通信方式，一主多從是最常見(jiàn)的通信方式。此外還支持雙主機(jī)通信、多主機(jī)通信與廣播模式；

• 通信速率高，其標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為100Kbps （每秒100K位），在快速模式下為400Kbps，按照后來(lái)修訂的版本，位速率可高達(dá) 3.4Mbps。

>>> 4.7.2 LM75B 接口

AM824-Core 選擇與 LM75A 兼容的 LM75B 數(shù)字測(cè)溫傳感器，其關(guān)斷模式下消耗的電流僅為 1μA。

1． 特性

LM75B 是 NXP 半導(dǎo)體推出的具有 I²C 接口的數(shù)字溫度傳感器芯片，其關(guān)鍵特性如下：

• 器件地址 1001xxx，同一總線上可以外擴(kuò) 8 個(gè)器件；

• 供電范圍：2.8～5.5V，溫度范圍：-55～125℃；

• 11 位 ADC 提供溫度分辨率達(dá) 0.125℃；

• 精度：±2℃（-25～100℃），±3℃（-55～125℃）。

LM75B 的管腳排列詳見(jiàn)圖 4.24，從機(jī)地址為 0x90，A0~A2 分別為地址選擇位 0~2，且必須在 SCL 串行時(shí)鐘輸入與 SDA 串行數(shù)據(jù)信號(hào)線上添加上拉電阻。當(dāng)芯片過(guò)熱時(shí)，則關(guān)斷輸出。

圖 4.24 LM75B 管腳圖

2． 應(yīng)用電路

LM75B 典型應(yīng)用電路詳見(jiàn)圖 4.25，R5 和 R6 是 I²C總線的上拉電阻。由于板載只有一片 LM75B，因此不用考慮芯片的地址問(wèn)題，即可將芯片的 A0~A2 引腳直接接地。OS 為芯片的過(guò)熱輸出，可以外接繼電器等器件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立溫控器的功能。由于是通過(guò) MCU 實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的，因此該引腳可以懸空。只要短接（J13_1、J13_2）與（J11_1、J11_2），則 SDA、SCL 分別與 PIO0_18、PIO0_16 相連。

圖 4.25 LM75B 應(yīng)用電路圖

如圖 4.26 所示為 AM824-Core 的加熱電路，R32 的阻值為 20~50Ω（2W）。短接 J14_2與J14_3即可將焊接在LM75B附近的加熱電阻R32與KEY相連，當(dāng) KEY 鍵按下時(shí)，則 R32 開(kāi)始發(fā)熱，此時(shí)電阻上產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)較粗的導(dǎo)線傳導(dǎo)到 LM75B 的下面，于是LM75B 也會(huì)跟著熱起來(lái)。如果電阻越小，則通過(guò)的電流越大，產(chǎn)生的熱量也就越大。當(dāng)按鍵按下時(shí)電路導(dǎo)通，這時(shí)可以通過(guò)測(cè)溫電路觀察溫度上升情況。

圖 4.26 加熱電路

3． 溫度測(cè)量

針對(duì) LM75B，AMetal 提供了相應(yīng)的軟件包，其函數(shù)原型為：

顯然，使用這兩個(gè)通用接口，很容易讀取當(dāng)前的溫度值。由于只有兩位數(shù)碼管，因此只顯示整數(shù)部分；當(dāng)溫度為負(fù)數(shù)時(shí)，也不顯示負(fù)，僅顯示溫度值，詳見(jiàn)程序清單 4.49。

程序清單 4.49 LM75 溫度讀取和顯示范例程序

將程序編譯后下載到開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，如果數(shù)碼管顯示 28，表示當(dāng)前溫度為 28℃。如果按下加熱按鍵，則低阻值加熱電阻 R32 開(kāi)始發(fā)熱，那么顯示的溫度值會(huì)不斷升高。

在顯示溫度值時(shí)，之所以將溫度值右移了 8 位，這是因?yàn)?lm75_read()讀取的數(shù)值是實(shí)際溫度的 256 倍，所以實(shí)際溫度應(yīng)該是讀取的值除以 256.0。同時(shí)，由于不需要顯示小數(shù)部分，所以直接右移 8 位，就表示除以了 256，只剩下了整數(shù)部分。

>>> 4.7.3 溫控器

下面將結(jié)合此前編寫的程序，使用 LED、蜂鳴器、數(shù)碼管、矩陣鍵盤和溫度采集，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易的溫控器。

1． 功能簡(jiǎn)介

使用標(biāo)準(zhǔn)I²C接口LM75B溫度傳感器采集溫度在數(shù)碼管上顯示，由于只有兩位數(shù)碼管，因此只顯示整數(shù)部分；當(dāng)溫度為負(fù)數(shù)時(shí)，也不顯示負(fù)，僅顯示溫度值。

可設(shè)置溫度上限值和溫度下限值，當(dāng)溫度高于上限值或低于下限值時(shí)，則蜂鳴器鳴叫。

2． 狀態(tài)指示

在調(diào)節(jié)過(guò)程中，使用兩個(gè) LED 用于狀態(tài)指示，用短路跳線器連接 J9 和 J10 即可。

• LED0 亮：表明當(dāng)前值為上限值，數(shù)碼管顯示上限值；

• LED1 亮：表明當(dāng)前值為下限值，數(shù)碼管顯示下限值；

• 兩燈閃爍：表明正常運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)碼管顯示環(huán)境溫度值。

3． 操作說(shuō)明

設(shè)置上下限值時(shí)，共計(jì)使用 4 個(gè)按鍵。即：

• SET 鍵：用于進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。點(diǎn)擊后首先進(jìn)入溫度上限值設(shè)定，再次點(diǎn)擊可進(jìn)入溫度下限值設(shè)定，再次點(diǎn)擊回到正常運(yùn)行狀態(tài)；

• 左移/右移鍵：用于切換當(dāng)前調(diào)節(jié)的位（個(gè)位/十位）。當(dāng)進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)后，當(dāng)前調(diào)節(jié)的位會(huì)不斷的閃爍；點(diǎn)擊該鍵可以切換當(dāng)前調(diào)節(jié)的位，由個(gè)位切換到十位，或由十位切換到個(gè)位；

• 加 1 鍵：當(dāng)進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)后，當(dāng)前調(diào)節(jié)的位會(huì)不斷的閃爍，按該鍵可以使該位上的數(shù)值增加 1；

• 減 1 鍵：當(dāng)進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)后，當(dāng)前調(diào)節(jié)的位會(huì)不斷的閃爍，按該鍵可以使該位上的數(shù)值增減 1。

（1）設(shè)置上限值

首次按下 SET 鍵進(jìn)入上限值設(shè)置，此時(shí) LED0 點(diǎn)亮，數(shù)碼管顯示上限值溫度，個(gè)位不停閃爍。按“加 1 鍵”或“減 1 鍵”可以對(duì)當(dāng)前閃爍位上得值進(jìn)行調(diào)整，按下“左移/右移鍵”可以切換當(dāng)前調(diào)節(jié)的位。

（2）設(shè)置下限值

在設(shè)置上限值的基礎(chǔ)上，再次點(diǎn)擊 SET 鍵即可進(jìn)入下限值的設(shè)定，此時(shí) LED1 點(diǎn)亮，數(shù)碼管顯示下限值溫度，個(gè)位不停閃爍。按“加 1 鍵”或“減 1 鍵”可以對(duì)當(dāng)前閃爍位上的值進(jìn)行調(diào)整，按“左移/右移鍵”可以切換當(dāng)前調(diào)節(jié)的位。

4． 功能實(shí)現(xiàn)

如程序清單 4.50 所示為溫控器的范例程序，程序中比較繁瑣的是按鍵的處理程序。為了使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，分別對(duì) 3 種按鍵：切換狀態(tài)（KEY0）、切換當(dāng)前調(diào)節(jié)位（KEY2）、調(diào)節(jié)當(dāng)前位的值（KEY1 和 KEY3）寫了 3 個(gè)函數(shù)，各個(gè)函數(shù)直接在 key_process()按鍵處理程序中調(diào)用。其它部分均在 while(1)主循環(huán)中完成，主要完成 3 件事情：溫度值的采集，每隔 500ms 進(jìn)行一次；鍵盤掃描，每隔 10ms 進(jìn)行一次；數(shù)碼管掃描，每隔 5ms 進(jìn)行一次。

程序清單 4.50 綜合實(shí)驗(yàn)范例程序