同步串行總線接口的原理、接口方式和使用方法

1、行總線接口簡介

眾所周知，單片機(jī)與外圍設(shè)備的通信方式可分為并行通信和串行通信，相應(yīng)的通信總線被稱為并行總線和串行總線。并行通信速度快，實時性好，但由于占用單片機(jī)的口線多（即使地址和數(shù)據(jù)線可部分復(fù)用），不適合作為小型化產(chǎn)品和分布式、遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式。串行通信只需一根和幾根數(shù)據(jù)傳輸線（兼作地址、控制線），不僅大大降低硬件成本，也有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展設(shè)計，所以串行總線廣泛應(yīng)用于單片機(jī)測控中。目前串行總線除了使用通用異步串行接口（UART，如：RS－232C／449／423／422／485）以外，應(yīng)用越來越多的是同步串行擴(kuò)展總線接口，主要有單總線、I2C、SPI、USB、MPS、Microwire／PLUS等。越來越多的外圍器件如A／D、E2PROM、集成智能傳感器等，都配置了同步串行擴(kuò)展總線接口I2C、SPI等，而擯棄了以往的并行總線接口。從20世紀(jì)90年代開始，眾多的單片機(jī)廠商都陸續(xù)推出了

帶有同步串行接口的單片機(jī)（一般保留了異步口UART），如：Philips公司的8XC552和LPC76X系列，帶I2C接口；Motorola公司的M68HC05和M68HC11，ATMEL公司的AT89S8252以及新一代的基于RISC的AVR系列單片機(jī)都集成有SPI接口。可以說串行總線是當(dāng)今單片機(jī)測控系統(tǒng)開發(fā)的首選，只有在沒必要或不能使用串行總線的場合才用并行總線。文中將逐一介紹上述幾種同步串行擴(kuò)展總線及其接口方式，以便給大家選擇外圍器件及進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計提供一點借鑒。

2、幾種常見的同步串行總線接口的基本原理和使用方法

2．1I2C總線

I2C（Inter－IC）總線是英文INTERICBUS或ICTOICBUS的簡稱，它是由Philips公司推出的一種基于兩線制的同步串行總線，被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、儀器儀表及工業(yè)測控系統(tǒng)中。在標(biāo)準(zhǔn)模式下，I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100間進(jìn)行雙向傳送。各種器件均并聯(lián)在這條總線上，而且每個器件都有惟一的地址。MCU發(fā)出的控制信號分為地址碼和數(shù)據(jù)碼兩部分：地址碼用來標(biāo)識器件地址，即確定和哪個器件進(jìn)行通信；數(shù)據(jù)碼就是通信的內(nèi)容。這樣，各器件雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不干擾。圖2—1以AT89C51（本身不帶I2C接口，用I／O口模擬）接兩片E2PROMAT24C16為例簡要說明I2C接口的使用方法。

圖2—1中，由A0、A1、A2確定器件的地址，故U1的地址為000，U2的地址為001；R1、R2為上拉電阻；用AT89C51的P1．0、P1．1腳模擬出I2C的SCL和SDA信號，對于有I2C的MCU直接接到對應(yīng)的SCL和SDA腳即可。

2．2SPI總線

SPI（SerialPeripheralInterface串行外設(shè)接口）是由Motorola公司提出的一種基于四線制的同步串行總線，它在速度要求不高、低功耗、需保存少量參數(shù)的智能化儀表及測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。使用SPI總線接口不僅能簡化電路設(shè)計，還可以提高設(shè)計的可靠性。SPI總線使用4條線：1）SCK（SerialClock），串行時鐘線，主機(jī)啟動發(fā)送并產(chǎn)生SCK，從機(jī)被動接收時鐘；2）MISO（MasterInSlaveOut），主機(jī)輸入從機(jī)輸出；3）MOSI（MasterOutSlaveIn），主機(jī)輸出從機(jī)輸入；4）（SlaveSelect），從機(jī)選擇信號，低電平有效。典型的由SPI總線構(gòu)成的分布式測控系統(tǒng)如圖2—2所示。

圖2—2中，各器件的片選端或使能端由MCU的其它I／O端口來控制。同I2C一樣，SPI總線也可以用軟件來模擬。

2．3單總線（1－WIRE）

單總線是DALLAS公司的一項專利技術(shù)，它將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、電源線合為一根信號線，允許在這根信號線上掛數(shù)百個測控對象，這些測控對象使用的芯片每個都有一個64位的ROM，也稱之為身份證號，確保掛在單總線上后，可以被惟一地區(qū)分識別出來。ROM中含有CRC檢驗碼，能確保數(shù)據(jù)交換可靠。芯片內(nèi)還有收、發(fā)控制和電源存儲電路，一般不用另附電源。這些芯片在檢測地點就把模擬信號數(shù)字化，單總線上傳送的是數(shù)字信號，使系統(tǒng)的抗干擾性能好、可靠性高。單總線系統(tǒng)按單總線協(xié)議規(guī)定的時序和信號波形進(jìn)行初始化、識別器件和交換數(shù)據(jù)，單片機(jī)I／O口P1、P2、P3中的任一位端口都可以與總線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。通過單總線可以方便、便宜地構(gòu)建分布式單片機(jī)測控系統(tǒng)。圖2—3所示的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，只需要一條雙絞線（一根為信號線，一根為地線）從單片機(jī)拉向監(jiān)控系統(tǒng)，然后將各種監(jiān)控對象掛在其上就可以了。

2．4USB總線

USB（UniversalSerialBus）是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司聯(lián)合制定的一種新的串行通信協(xié)議。USB支持熱插拔和即插即用，USB接口可對外提供電源，USB2．0規(guī)范提供高達(dá)480Mbit／s的數(shù)據(jù)傳輸速率，最多支持127個設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸除了支持同步方式外，還可以采用控制、中斷和批量傳輸?shù)确绞?。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的USB接口方法有兩種：一種是系統(tǒng)外部擴(kuò)展USB接口器件（如NS公司的USBN9602）；另一種是選用內(nèi)部帶USB接口的單片機(jī)（如ATMEL公司的AT43USB351M等）。

2．5MPS總線

MPS是MicroPortSaver（節(jié)省微處理器接口的器件）的縮寫，代表產(chǎn)品是Xicor公司的串行E2PROM存儲器X84XXX系列。MPS接口器件可直接連到處理器總線上，并通過標(biāo)準(zhǔn)總線讀寫時序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（可看作同步方式），在微控制器的控制線如、等的配合下，可以最大限度地節(jié)省I／O口，并簡化邏輯編程。圖2—4以AT89C51接兩片E2PROMX84041為例簡要說明MPS接口的使用方法（X84041的片選接74LS138輸出即可，圖中省略）。

2．6Microwire和Microwire／PLUS總線

Microwire總線是美國國家半導(dǎo)體（NS）公司推出的三線同步串行總線。這種總線由一根數(shù)據(jù)輸出線（SO）、一根數(shù)據(jù)輸入線（SI）和一根時鐘線（SK）組成（但每個器件還要接一根片選線）。原始的Microwire總線上只能連接一片單片機(jī)作為主機(jī)，總線上的其它設(shè)備都是從機(jī)。此后，NS公司推出了8位的COP800單片機(jī)系列，仍采用原來的Microwire總線，但單片機(jī)上的總線接口改成既可由自身發(fā)出時鐘，也可由外部輸入時鐘信號，也就是說，連接到總線上的單片機(jī)既可以是主機(jī)，也可以是從機(jī)。為了區(qū)別于原有的Microwire總線，稱這種新產(chǎn)品為增強(qiáng)型的Microwire／PLUS總線。增強(qiáng)型的Microwire／PLUS總線上允許連接多片單片機(jī)和外圍器件，因此，總線具有更大的靈活性和可變性，非常適用于分布式、多處理器的單片機(jī)測控系統(tǒng)。要改變一個系統(tǒng)，只需改變連接到總線上的單片機(jī)及外圍器件的數(shù)量和型號。Microwire總線系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2—5所示。

2．7其它的串行接口

除了以上介紹的5種串行擴(kuò)展總線接口，還有一些器件具有類似的總線接口，如DS1302，它是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進(jìn)行記時，具有閏年補(bǔ)償功能。它采用三線制與MCU進(jìn)行通信：（1）I／O，串行數(shù)據(jù)輸入／輸出；（2）SCLK，串行時鐘輸入端，是串行數(shù)據(jù)的同步信號；（3），復(fù)位兼片選端。

3、結(jié)論

以上簡要論述了當(dāng)前單片機(jī)測控領(lǐng)域常見的幾種同步串行擴(kuò)展總線的接口方式，大家可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)慕涌诜绞絹斫M成自己的單片機(jī)測控系統(tǒng)。一般來說，外圍器件或被控器（從機(jī)）具有上述的一種或幾種串行接口；主控機(jī)可以有兩種選擇：（1）選擇有對應(yīng)接口的單片機(jī)。它們的內(nèi)部已經(jīng)具有了相應(yīng)的時序硬件控制邏輯，并提供了相應(yīng)的控制寄存器和中斷向量，只要按資料進(jìn)行編程控制即可；（2）用常用的單片機(jī)，但是沒有相應(yīng)的同步串行接口，此時，大部分情況下可以通過I／O口的模擬來實現(xiàn)接口的功能（就是用軟件模擬出通信過程中的時序變化），這樣做必然會增加編程的代碼量和降低系統(tǒng)的可靠性。

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