1、第第1010章章 单片机系统的串行单片机系统的串行 扩展技术扩展技术1内容概要内容概要 单片机系统除并行扩展外，串行扩展技术也已得到广泛应用。与并行扩单片机系统除并行扩展外，串行扩展技术也已得到广泛应用。与并行扩展相比，串行接口器件与单片机相连需要的展相比，串行接口器件与单片机相连需要的I/O口线很少（仅需口线很少（仅需14条），条），极大地简化了器件间的连接，进而提高了可靠性；串行接口器件体积小，极大地简化了器件间的连接，进而提高了可靠性；串行接口器件体积小，占用电路板的空间小，减少了电路板空间和成本。占用电路板的空间小，减少了电路板空间和成本。 常见的串行扩展总线接口有单总线（常见的串行扩
2、展总线接口有单总线（1-Wire）、）、SPI串行外设接口以及串行外设接口以及I2C（Inter Interface Circuit）串行总线接口，本章介绍这几种串行扩展接）串行总线接口，本章介绍这几种串行扩展接口总线的工作原理及特点以及如何进行系统串行扩展的典型设计。口总线的工作原理及特点以及如何进行系统串行扩展的典型设计。 210.1 10.1 单总线串行扩展单总线串行扩展 单总线也称单总线也称1-Wire bus，由美国，由美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线。公司推出的外围串行扩展总线。它只有一条数据输入它只有一条数据输入/输出线输出线DQ，总线上的所有器件都挂在，总线上的所有器
3、件都挂在DQ上，电源也上，电源也通过这条信号线供给，这种只使用一条信号线的串行扩展技术，称为单总通过这条信号线供给，这种只使用一条信号线的串行扩展技术，称为单总线技术。线技术。单总线系统中配置的各种器件，由单总线系统中配置的各种器件，由DALLAS公司提供的专用芯片实现。每公司提供的专用芯片实现。每个芯片都有个芯片都有64位位ROM，厂家对每一芯片都用激光烧写编码，其中存有，厂家对每一芯片都用激光烧写编码，其中存有16位位十进制编码序列号，它是器件的地址编号，确保它挂在总线上后，可唯一十进制编码序列号，它是器件的地址编号，确保它挂在总线上后，可唯一地被确定。除了器件的地址编码外，芯片内还包含收
4、发控制和电源存储电地被确定。除了器件的地址编码外，芯片内还包含收发控制和电源存储电路，如路，如图图10-1所示。这些芯片的耗电量都很小（空闲时几所示。这些芯片的耗电量都很小（空闲时几W，工作时几，工作时几mW），工作时从总线上馈送电能到大电容中就可以工作，故一般不需另加），工作时从总线上馈送电能到大电容中就可以工作，故一般不需另加电源。电源。34图图10-1 单总线芯片的内部结构示意图10.1.1 单总线系统的典型应用单总线系统的典型应用-DS18B20的温度测量系统的温度测量系统 单总线应用典型案例是采用单总线温度传感器单总线应用典型案例是采用单总线温度传感器DS18B20的温度测量的温度测
5、量系统。系统。1. 单总线温度传感器单总线温度传感器DS18B20简介简介 美国美国DALLAS公司推出的单总线接口的数字温度传感器，温度测量范公司推出的单总线接口的数字温度传感器，温度测量范围为围为55+128，在，在-10+85范围内，测量精度可达范围内，测量精度可达0.5。DS18B20体积小、功耗低，现场温度的测量直接通过体积小、功耗低，现场温度的测量直接通过“单总线单总线”以数字以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。非常适合于恶劣环境的现场温方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。非常适合于恶劣环境的现场温度测量，也可用于各种狭小空间内设备的测温，如环境控制、过程监测、度测量，也可用
6、于各种狭小空间内设备的测温，如环境控制、过程监测、测温类消费电子产品以及多点温度测控系统等。由于测温类消费电子产品以及多点温度测控系统等。由于DS18B20可直接将可直接将温度转化成数字信号传送给单片机处理，因而可省去传统的信号放大、温度转化成数字信号传送给单片机处理，因而可省去传统的信号放大、A/D转换等外围电路。转换等外围电路。5图图10-2所示为单片机与多个带有单总线接口的数字温度传感器所示为单片机与多个带有单总线接口的数字温度传感器DS18B20芯片的分布式温度监测系统，图中多个芯片的分布式温度监测系统，图中多个DS18B20都挂在单片机的都挂在单片机的1根根I/O口线（即口线（即DQ
7、线）上。单片机对每个线）上。单片机对每个DS18B20通过总线通过总线DQ寻址。寻址。DQ为为漏极开路，须加上拉电阻。漏极开路，须加上拉电阻。DS18B20的一种封装形式如的一种封装形式如图图10-2所示。除所示。除DS18B20外，在该数字温度传感器系列中还有外，在该数字温度传感器系列中还有DS1820、DS18S20、DS1822等其他型号产品，工作原理与特性基本相同。等其他型号产品，工作原理与特性基本相同。图图10-2 单总线构成的分布式温度监测系统单总线构成的分布式温度监测系统片内有片内有9个字节的高速暂存器个字节的高速暂存器RAM单元，单元，9个字节的具体内容如下：个字节的具体内容如
8、下：8第第1字节和第字节和第2字节是在单片机发给字节是在单片机发给DS18B20温度转换命令发布后，经温度转换命令发布后，经转换所得的温度值，以两字节补码形式存放其中。一般情况下，用户转换所得的温度值，以两字节补码形式存放其中。一般情况下，用户多使用第多使用第1字节和第字节和第2字节。单片机通过单总线可读得该数据，读取时字节。单片机通过单总线可读得该数据，读取时低位在前，高位在后。第低位在前，高位在后。第3、4字节分别是由软件写入用户报警的上下字节分别是由软件写入用户报警的上下限值限值TH和和TL。第。第5字节为配置寄存器，可对其更改字节为配置寄存器，可对其更改DS18B20的测温分的测温分辨
9、率，高速暂存器的第辨率，高速暂存器的第6、7、8字节未用，为全字节未用，为全1。第。第9字节是前面所字节是前面所有有8个字节的个字节的CRC码，用来保证正确通信。片内还有码，用来保证正确通信。片内还有1个个E2PROM为为TH、TL以及配置寄存器的映像。以及配置寄存器的映像。配置寄存器（第配置寄存器（第5字节）各位的定义如下：字节）各位的定义如下：9 其中，最高位其中，最高位TM出厂时已被写入出厂时已被写入0，用户不能改变；低，用户不能改变；低5位都为位都为1；R1和和R0用来设置分辨率。用来设置分辨率。表表10-1列出了列出了R1、R0与分辨率和转换时间的关系。用与分辨率和转换时间的关系。用
10、户可通过修改户可通过修改R1、R0位的编码，获得合适的分辨率。位的编码，获得合适的分辨率。 由由表表10-1可看出，可看出，DS18B20的转换时间与分辨率有关。当设定分辨率的转换时间与分辨率有关。当设定分辨率为为9位时，转换时间为位时，转换时间为93.75ms；当设定分辨率为；当设定分辨率为12位时，转换位时，转换时间为时间为750ms。 表表10-2列出了列出了DS18B20温度转换后所得到的温度转换后所得到的16位转换结果的典型值。位转换结果的典型值。10下面介绍温度转换的计算方法。下面介绍温度转换的计算方法。当当DS18B20采集的采集的温度为温度为+125时，输出为时，输出为07D0
11、H，则：，则：实际温度实际温度=(07D0H)/16=(0163+7162+13161+0160)/16=125当当DS18B20采集的采集的温度为温度为-55时，输出为时，输出为FC90H，由于是补码，则先将，由于是补码，则先将11位数据取反加位数据取反加1得得0370H，注意符号位不变，也不参加运算，则：，注意符号位不变，也不参加运算，则：实际温度实际温度=(0370H)/16=(0163+3162+7161+0160)/16=55注意，负号则需要对采集的温度的结果数据进行判断后，再予以显示。注意，负号则需要对采集的温度的结果数据进行判断后，再予以显示。2. DS18B20的工作时序的工作
12、时序 DS18B20对工作时序要求严格，延时时间需准确，否则容易出错。工作对工作时序要求严格，延时时间需准确，否则容易出错。工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。时序包括初始化时序、写时序和读时序。11（1）初始化时序）初始化时序，单片机将数据线，单片机将数据线DQ电平拉低电平拉低480960s后释放，等后释放，等待待1560s，单总线器件即可输出一持续，单总线器件即可输出一持续60240s的低电平，单片机的低电平，单片机收到此应答后即可进行操作。收到此应答后即可进行操作。（2）写时序，）写时序，当单片机将数据线当单片机将数据线DQ电平从高拉到低时，产生写时序，电平从高拉到低时，产生写时序，
13、有写有写“0”和写和写“1”两种时序。写时序开始后，两种时序。写时序开始后，DS18B20在在1560s期期间从数据线上采样。如果采样到低电平，则向间从数据线上采样。如果采样到低电平，则向DS18B20写的是写的是“0”；如；如果采样到高电平，则向果采样到高电平，则向DS18B20写的是写的是“1”。这两个独立的时序间至少。这两个独立的时序间至少需要拉高总线电平需要拉高总线电平1s的时间。的时间。（3）读时序）读时序，当单片机从，当单片机从DS18B20读取数据时，产生读时序。此时单读取数据时，产生读时序。此时单片机将数据线片机将数据线DQ的电平从高拉到低使读时序被初始化。如果在此后的的电平从
14、高拉到低使读时序被初始化。如果在此后的15s内，单片机在数据线上内，单片机在数据线上 12采样到低电平，则从采样到低电平，则从DS18B20读的是读的是“0”；如果在此后的；如果在此后的15s内，单片机内，单片机在数据线上采样到高电平，则从在数据线上采样到高电平，则从DS18B20读的是读的是“1”。3. DS18B20的命令的命令 DS18B20片内都有唯一的片内都有唯一的64位光刻位光刻ROM编码，出厂时已刻好。它是编码，出厂时已刻好。它是DS18B20的地址序列码，目的是使每个的地址序列码，目的是使每个DS18B20的地址都不相同，这样就的地址都不相同，这样就可实现在一根总线上挂接多个可
15、实现在一根总线上挂接多个DS18B20的目的。的目的。64位光刻位光刻ROM的各位定义的各位定义如下：如下：13 单片机写入单片机写入DS18B20的所有命令均为的所有命令均为8位长，对位长，对ROM操作的命令见操作的命令见表表10-3。 14 下面介绍表下面介绍表10-3中命令的用法。当主机需要对多个单总线上的某一中命令的用法。当主机需要对多个单总线上的某一DS18B20进行操作时，首先应将主机逐个与进行操作时，首先应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号挂接，读出其序列号（命令代码为（命令代码为33H）；然后再将所有的）；然后再将所有的DS18B20挂接到总线上，单片机发出挂接到总线
16、上，单片机发出匹配匹配ROM命令（命令（55H），紧接着主机提供的），紧接着主机提供的64位序列号之后的操作就是针对位序列号之后的操作就是针对该该DS18B20的。的。 如果主机只对一个如果主机只对一个DS18B20进行操作，就不需要读取进行操作，就不需要读取ROM编码以及匹配编码以及匹配ROM编码，只要使用跳过读编码，只要使用跳过读ROM序列号（序列号（CCH）命令，就可按）命令，就可按表表10-4执行执行如下温度转换和读取命令。如下温度转换和读取命令。15 10.1.2 单总线单总线DS18B20温度测量系统的设计温度测量系统的设计 【例例10-1】利用利用DS18B20和和LED数码管实
17、现单总线温度测量系统，数码管实现单总线温度测量系统，原理仿真电路如原理仿真电路如图图10-3所示。所示。DS18B20的测量范围是的测量范围是55128。本。本例由于只接有两只数码管，所以显示的数值为例由于只接有两只数码管，所以显示的数值为0099。读者通过本例应。读者通过本例应掌握掌握DS18B20的特性以及单片机的特性以及单片机I/O实现单总线协议的方法。实现单总线协议的方法。在在Proteus环境下进行虚拟仿真时，用手动调整环境下进行虚拟仿真时，用手动调整DS18B20的温度值，即的温度值，即用鼠标单击用鼠标单击DS18B20图标上的图标上的“”或或“”来改变温度，注意手动调节来改变温度
18、，注意手动调节温度的同时，温度的同时，LED数码管上会显示出与数码管上会显示出与DS18B20窗口相同的窗口相同的2位温度数位温度数值，表示测量结果正确。值，表示测量结果正确。16图图10-3 单总线单总线DS18B20温度测量与显示系统温度测量与显示系统图图10-3 74LS47为为BCD-7段译码器段译码器/驱动器驱动器，用于将单片机，用于将单片机P0口输出的欲口输出的欲显示的显示的BCD码转化成相应的数字显示的段码，并直接驱动码转化成相应的数字显示的段码，并直接驱动LED数码管显示。数码管显示。电路中的两个三极管用于两个数码管的位控端的选通和驱动。电路中的两个三极管用于两个数码管的位控端
19、的选通和驱动。参考程序如下。参考程序如下。181920212210.2 SPI总线串行扩展总线串行扩展 SPI（Serial Periperal Interface，串行外设接口）是，串行外设接口）是Motorola公司公司推出的一种同步串行外设接口推出的一种同步串行外设接口，允许单片机与多厂家的带有标准，允许单片机与多厂家的带有标准SPI接接口的外围器件直接连接。所谓同步，就是串行口每发送、接收一位数据口的外围器件直接连接。所谓同步，就是串行口每发送、接收一位数据都伴随有一个同步时钟脉冲来控制。都伴随有一个同步时钟脉冲来控制。 SPI外围串行扩展结构如外围串行扩展结构如图图10-4所示。所示
20、。SPI使用使用4条线：串行时钟条线：串行时钟SCK，主器件输入主器件输入/从器件输出数据线从器件输出数据线MISO，主器件输出，主器件输出/从器件输入数据线从器件输入数据线MOSI和从器件选择线和从器件选择线CS*。27图图10-4 SPI外围串行扩展结构图外围串行扩展结构图 典型的典型的SPI系统是单主器件系统，从器件通常是外围器件，如存储器、系统是单主器件系统，从器件通常是外围器件，如存储器、I/O接口、接口、A/D、D/A、键盘、日历、键盘、日历/时钟和显示驱动等。单片机使用时钟和显示驱动等。单片机使用SPI扩扩展多个外围器件时，展多个外围器件时，SPI无法通过地址线译码选择，故外围器
21、件都有片选无法通过地址线译码选择，故外围器件都有片选端。在扩展单个端。在扩展单个SPI器件时，外围器件的片选端可以接地或通过器件时，外围器件的片选端可以接地或通过I/O口控制；口控制；在扩展多个在扩展多个SPI器件时，单片机应分别通过器件时，单片机应分别通过I/O口线来分时选通外围器件。口线来分时选通外围器件。在在SPI串行扩展系统中，如果某一从器件只作输入（如键盘）或只作输出串行扩展系统中，如果某一从器件只作输入（如键盘）或只作输出（如显示器）时，可省去一条数据输出（如显示器）时，可省去一条数据输出（MISO）线或一条数据输入）线或一条数据输入（MOSI）线，从而构成双线系统（接地）。）线，
22、从而构成双线系统（接地）。 SPI系统中单片机对从器件的选通需控制其系统中单片机对从器件的选通需控制其CS*端，由于省去了地址字端，由于省去了地址字节，数据传送软件十分简单。但在扩展器件较多时，需要控制较多的从器节，数据传送软件十分简单。但在扩展器件较多时，需要控制较多的从器件端，连线较多。件端，连线较多。29 在在SPI串行扩展系统中，作为主器件的单片机在启动一次传送时，便产生串行扩展系统中，作为主器件的单片机在启动一次传送时，便产生8个时钟，传送给外围器件作为同步时钟，控制数据的输入和输出。数据个时钟，传送给外围器件作为同步时钟，控制数据的输入和输出。数据的传送格式是高位（的传送格式是高位
23、（MSB）在前，低位（）在前，低位（LSB）在后，如）在后，如图图10-5所示。数所示。数据线上输出数据的变化以及输入数据时的采样，都取决于据线上输出数据的变化以及输入数据时的采样，都取决于SCK。但对于不。但对于不同的外围芯片，有的可能是同的外围芯片，有的可能是SCK的上升沿起作用，有的可能是的上升沿起作用，有的可能是SCK的下降的下降沿起作用。沿起作用。SPI有较高的数据传输速度，最高可达有较高的数据传输速度，最高可达1.05Mbit/s。30图图10-5 SPI数据传送格式数据传送格式 目前世界各大公司为用户提供了一系列具有目前世界各大公司为用户提供了一系列具有SPI接口的单片机和外围接
24、口接口的单片机和外围接口芯片，例如芯片，例如Motorola公司存储器公司存储器MC2814、显示驱动器、显示驱动器MC14499和和MC14489等各种芯片；美国等各种芯片；美国TI公司的公司的8位串行位串行A/D转换器转换器TLC549、10位串位串行行A/D转换器转换器TLC1549、12位串行位串行A/D转换器转换器TLC2543等。等。 SPI外围串行扩展系统的从器件要具有外围串行扩展系统的从器件要具有SPI接口。主器件是单片机。接口。主器件是单片机。AT89S51单片机不带有单片机不带有SPI接口，可采用软件与接口，可采用软件与I/O口结合来模拟口结合来模拟SPI的接口的接口时序。
25、在时序。在SPI总线系统扩展的应用设计中，扩展串行总线系统扩展的应用设计中，扩展串行D/A转换器转换器和串行和串行A/D转转换器换器应用较多，应用较多，AT89S51单片机与带有单片机与带有SPI串行接口的串行接口的12位位A/D转换器转换器TLC2543的扩展设计案例将在的扩展设计案例将在11.7节介绍。节介绍。3110.3 I2C总线的串行扩展总线的串行扩展 I2C（Inter Interface Circuit）全称为芯片间总线，是应用广泛的芯）全称为芯片间总线，是应用广泛的芯片间串行扩展总线。目前世界上采用的片间串行扩展总线。目前世界上采用的I2C总线有两个规范，分别由荷总线有两个规范
26、，分别由荷兰飞利浦公司和日本索尼公司提出，现在多采用飞利浦公司的兰飞利浦公司和日本索尼公司提出，现在多采用飞利浦公司的I2C总线技总线技术规范，它已成为电子行业认可的总线标准。采用术规范，它已成为电子行业认可的总线标准。采用I2C技术的单片机以及技术的单片机以及外围器件种类很多，目前已广泛用于各类电子产品、家用电器及通信设外围器件种类很多，目前已广泛用于各类电子产品、家用电器及通信设备中。备中。10.3.1 I2C串行总线系统的基本结构串行总线系统的基本结构 I2C串行总线只有两条信号线，一条是数据线串行总线只有两条信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线，另一条是时钟线SCL。SDA和和S
27、CL是双向的，是双向的， I2C总线上各器件的数据线都接到总线上各器件的数据线都接到SDA线线上，各器件的时钟线均接到上，各器件的时钟线均接到SCL线上。线上。 I2C总线系统的基本结构如总线系统的基本结构如图图10-6所示。所示。3233图图10-6 I2C串行总线系统的基本结构串行总线系统的基本结构 带有带有I2C总线接口的主器件可直接与具有总线接口的主器件可直接与具有I2C总线接口的各种从器件（如存总线接口的各种从器件（如存储器、储器、I/O芯片、芯片、A/D或或D/A转换器、键盘、显示器、日历转换器、键盘、显示器、日历/时钟芯片）连接。时钟芯片）连接。由于由于I2C总线采用纯软件的寻址
28、方法，无需片选线的连接，这样就大大简化总线采用纯软件的寻址方法，无需片选线的连接，这样就大大简化了总线数量。了总线数量。I2C串行总线的运行由主器件控制。主器件是指启动数据的发串行总线的运行由主器件控制。主器件是指启动数据的发送（发出起始信号）、发出时钟信号、传送结束时发出终止信号的器件，通送（发出起始信号）、发出时钟信号、传送结束时发出终止信号的器件，通常由单片机来担当。从器件可以是存储器、常由单片机来担当。从器件可以是存储器、LED或或LCD驱动器、驱动器、A/D或或D/A转换器、时钟转换器、时钟/日历器件等，从器件必须带有日历器件等，从器件必须带有I2C串行总线接口。串行总线接口。 当当
29、I2C总线空闲时，总线空闲时，SDA和和SCL两条线均为高电平。由于连接到总线上器件两条线均为高电平。由于连接到总线上器件的输出级必须是漏级或集电极开路的，只要有一个器件任意时刻输出低电平，的输出级必须是漏级或集电极开路的，只要有一个器件任意时刻输出低电平，都将使总线上的信号变低，即各器件的都将使总线上的信号变低，即各器件的SDA及及SCL都是都是“线与线与”的关系。由的关系。由于各器件输出端为漏级开路，故必须通过上拉电阻接正电源（图于各器件输出端为漏级开路，故必须通过上拉电阻接正电源（图10-6中的两中的两个电阻），以保证个电阻），以保证SDA和和SCL在空闲时被上拉为高电平。在空闲时被上拉
30、为高电平。 34 SCL线上的时钟信号对线上的时钟信号对SDA线上的各器件间的数据传输起同步控制作用。线上的各器件间的数据传输起同步控制作用。SDA线上的数据起始、终止及数据的有效性均要根据线上的数据起始、终止及数据的有效性均要根据SCL线上的时钟信号来线上的时钟信号来判断。判断。 在标准的在标准的I2C普通模式下，数据的传输速率为普通模式下，数据的传输速率为100kbit/s，高速模式下可达，高速模式下可达400kbit/s。总线上扩展的器件数量不是由电流负载决定的，而是由电容负载。总线上扩展的器件数量不是由电流负载决定的，而是由电容负载确定的。确定的。I2C总线上的每个器件的接口处都有一定
31、的等效电容，器件越多，电总线上的每个器件的接口处都有一定的等效电容，器件越多，电容值就越大，就会造成信号传输的延迟。总线上允许的器件数以器件的电容容值就越大，就会造成信号传输的延迟。总线上允许的器件数以器件的电容量不超过量不超过400pF（通过驱动扩展可达（通过驱动扩展可达4000pF）为宜，据此可计算出总线长度）为宜，据此可计算出总线长度及连接器件的数量。每个连到及连接器件的数量。每个连到I2C总线上的器件都有一个唯一的地址，扩展器总线上的器件都有一个唯一的地址，扩展器件数目的多少也要受器件地址数目的限制。件数目的多少也要受器件地址数目的限制。35 I2C总线应用系统允许多主器件，但是在实际
32、应用中，经常遇到的是以单总线应用系统允许多主器件，但是在实际应用中，经常遇到的是以单一单片机为主器件，其他外围接口器件为从器件的情况。一单片机为主器件，其他外围接口器件为从器件的情况。10.3.2 I2C总线的数据传送规定总线的数据传送规定1数据位的有效性规定数据位的有效性规定 I2C总线在进行数据传送时，每一数据位的传送都与时钟脉冲相对应。时总线在进行数据传送时，每一数据位的传送都与时钟脉冲相对应。时钟脉冲为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，在钟脉冲为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，在I2C总线上，只有总线上，只有在时钟线在时钟线SCL为低电平期间，数据线为低电平期间，数据线S
33、DA上的电平状态才允许变化，如上的电平状态才允许变化，如图图10-7所示。所示。36图图10-7 数据位的有效性规定数据位的有效性规定 2起始信号和终止信号起始信号和终止信号 根据根据I2C总线协议，总线上数据信号的传送由起始信号（总线协议，总线上数据信号的传送由起始信号（S）开始、由终）开始、由终止信号（止信号（P）结束。起始信号和终止信号都由主器件发出，在起始信号产生）结束。起始信号和终止信号都由主器件发出，在起始信号产生后，总线就处于占用状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。下面后，总线就处于占用状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。下面结合结合图图10-8介绍有关起始信号和
34、终止信号的规定。介绍有关起始信号和终止信号的规定。38图图10-8 起始信号和终止信号起始信号和终止信号 （1）起始信号）起始信号S。在。在SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变线由高电平向低电平的变化表示起始信号，只有在起始信号以后，其他命令才有效。化表示起始信号，只有在起始信号以后，其他命令才有效。（2）终止信号）终止信号P。在。在SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变线由低电平向高电平的变化表化表示终止信号。随着终止信号的出现，所有外部操作都结束。示终止信号。随着终止信号的出现，所有外部操作都结束。3I2C总线上数据传送的应答总线上
35、数据传送的应答 I2C总线进行数据传送时，首先要由主器件对从器件进行寻址，发出寻总线进行数据传送时，首先要由主器件对从器件进行寻址，发出寻址字节，而传送的数据字节数没有限制，但是每字节必须为址字节，而传送的数据字节数没有限制，但是每字节必须为8位。数据传送位。数据传送时，先传送最高位（时，先传送最高位（MSB），如），如图图10-9所示。所示。I2C总线在传送每总线在传送每1字节数据字节数据后都必须有接收数据方发出的应答信号后都必须有接收数据方发出的应答信号A，应答信号在第，应答信号在第9个时钟位上出现，个时钟位上出现，与应答信号对应的时钟信号由主器件产生，这时发送方必须在这一时钟位与应答信号
36、对应的时钟信号由主器件产生，这时发送方必须在这一时钟位上使上使SDA线处于高电平状态，以便接收方在这一位上送出低电平的应答信线处于高电平状态，以便接收方在这一位上送出低电平的应答信号号A。图图10-9 I2C总线上的应答信号总线上的应答信号 由于某种原因接收方不对主器件寻址信号应答时，例如接收方正在进行由于某种原因接收方不对主器件寻址信号应答时，例如接收方正在进行其他处理而无法接收总线上的数据时，必须释放总线，将数据线其他处理而无法接收总线上的数据时，必须释放总线，将数据线SDA置为高置为高电平，而由主器件产生一个终止信号以结束总线的数据传送。当主器件接收电平，而由主器件产生一个终止信号以结束
37、总线的数据传送。当主器件接收来自从器件的数据时，接收的最后一个数据字节后，必须给从器件发送一个来自从器件的数据时，接收的最后一个数据字节后，必须给从器件发送一个非应答信号（），使从机释放数据总线，以便主器件发送一个终止信号，从非应答信号（），使从机释放数据总线，以便主器件发送一个终止信号，从而结束数据的传送。而结束数据的传送。4寻址字节寻址字节 上面已经介绍，上面已经介绍，I2C总线系统中主器件完成与从器件的数据传输（读或总线系统中主器件完成与从器件的数据传输（读或写），首先要由主器件对从器件寻址，并确定数据的传输方向（读或写），写），首先要由主器件对从器件寻址，并确定数据的传输方向（读或写）
38、，这是由主器件发出的寻址字节来控制的。寻址字节格式如下：这是由主器件发出的寻址字节来控制的。寻址字节格式如下：41寻址字节包含了寻址字节包含了7位从器件地址和位从器件地址和1位数据传输方向（读或写）控制位。位数据传输方向（读或写）控制位。7位从器件地址为位从器件地址为“DA3、DA2、DA1、DA0”和和“A2、A1、A0”，其中，其中“DA3、DA2、DA1、DA0”为器件固有的类型号编码，出厂时就已经给定。为器件固有的类型号编码，出厂时就已经给定。“A2、A1、A0”为引脚地址，由器件引脚为引脚地址，由器件引脚A2、A1、A0在电路中接高电平或在电路中接高电平或接地决定（见后面的图接地决定
39、（见后面的图10-11）。寻址字节的最低位为数据方向位（）。寻址字节的最低位为数据方向位（R/），），规定了总线上的主器件（单片机）与从器件的数据传送方向。规定了总线上的主器件（单片机）与从器件的数据传送方向。R/=1，表示主，表示主器件接收（读）。器件接收（读）。R/=0，表示主器件发送（写）。，表示主器件发送（写）。5I2C总线上的数据帧格式总线上的数据帧格式 I2C总线上传送的信号即包括数据信号，也包括地址信号。总线上传送的信号即包括数据信号，也包括地址信号。I2C总线规定，在起始信号后必须传送一个寻址字节，即总线规定，在起始信号后必须传送一个寻址字节，即7位从器件的地址，位从器件的地址
40、，1位数据传送的方向位（位数据传送的方向位（R/），用），用“0”表示主器件发送数据（），表示主器件发送数据（），“1”表示表示主器件接收数据（主器件接收数据（R）。每次数据传送总是由主器件产生的终止信号结束。）。每次数据传送总是由主器件产生的终止信号结束。但是，若主器件希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信但是，若主器件希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从器件发寻址字节。因此，在总线一次数号，马上再次发出起始信号对另一从器件发寻址字节。因此，在总线一次数据传送过程中，通常有以下几种组合方式：据传送过程中，通常有以下几种组合方式：（
41、1）主器件向从器件发送）主器件向从器件发送n字节数据的写操作，数据传送方向在整个传送字节数据的写操作，数据传送方向在整个传送过程中不变，数据传送的格式如下：过程中不变，数据传送的格式如下：44A其中：字节其中：字节1字节字节n为主机写入从器件的为主机写入从器件的n字节的数据。格式中阴影部分字节的数据。格式中阴影部分表示主器件向从器件发送数据，无阴影部分表示从器件向主器件发送，以下表示主器件向从器件发送数据，无阴影部分表示从器件向主器件发送，以下同。上述格式中的寻址字节中的同。上述格式中的寻址字节中的7位为位为“从器件地址从器件地址”，紧接其后的，紧接其后的“1”为为读，读，“0”为写。为写。（
42、2）主器件接收来自从器件的）主器件接收来自从器件的n字节的读操作。除第字节的读操作。除第1个寻址字节由主器个寻址字节由主器件发出，件发出，n字节都由从器件发送，主器件接收，数据传送的格式如下：字节都由从器件发送，主器件接收，数据传送的格式如下： 其中：字节其中：字节1字节字节n为从器件被读出的为从器件被读出的n字节数据。主器件发送终止信字节数据。主器件发送终止信号前应发送非应答信号，向从器件表明读操作要结束。号前应发送非应答信号，向从器件表明读操作要结束。 （3）主器件的读、写操作。在一次数据传送过程中，主器件先发送）主器件的读、写操作。在一次数据传送过程中，主器件先发送1字节数据，然后再接收
43、字节数据，然后再接收1字节数据，此时起始信号和从器件地址都被重字节数据，此时起始信号和从器件地址都被重新产生一次，但两次读写的方向位正好相反。数据传送的格式如下：新产生一次，但两次读写的方向位正好相反。数据传送的格式如下：45A 格式中的格式中的“Sr”表示重新产生的起始信号，表示重新产生的起始信号，“从器件地址从器件地址r”表示重新产生表示重新产生的从器件地址。的从器件地址。 由上可见，无论哪种方式，起始信号、终止信号和从器件地址（寻址字由上可见，无论哪种方式，起始信号、终止信号和从器件地址（寻址字节中的高节中的高7位）均由主器件发送，数据字节的传送方向则由主器件发出的寻位）均由主器件发送，
44、数据字节的传送方向则由主器件发出的寻址字节的最低位规定，每个字节的传送都必须有应答位（址字节的最低位规定，每个字节的传送都必须有应答位（A或）相随。或）相随。6数据传送的时序数据传送的时序 I2C总线上每传送一位数据都与一个时钟脉冲相对应，传送的每一帧总线上每传送一位数据都与一个时钟脉冲相对应，传送的每一帧数据均为一字节。但启动数据均为一字节。但启动I2C总线后传送的字节数没有限制，只要求每总线后传送的字节数没有限制，只要求每传送一个字节后，对方回答一个应答位。在时钟线为高电平期间，数据传送一个字节后，对方回答一个应答位。在时钟线为高电平期间，数据线的状态就是要传送的数据。数据线上数据的改变必
45、须在时钟线为低电线的状态就是要传送的数据。数据线上数据的改变必须在时钟线为低电平期间完成。在数据传输期间，只要时钟线为高电平，数据线都必须稳平期间完成。在数据传输期间，只要时钟线为高电平，数据线都必须稳定，否则数据线上的任何变化都当作起始或终止信号。定，否则数据线上的任何变化都当作起始或终止信号。 I2C总线数据传送必须遵循的数据传送格式见总线数据传送必须遵循的数据传送格式见图图10-10。图。图10-10所示所示为一次完整的数据传送应答时序。根据总线规范，起始信号表明一次数为一次完整的数据传送应答时序。根据总线规范，起始信号表明一次数据传送的开始，其后为寻址字节。在寻址字节后是按指定读、写的
46、数据据传送的开始，其后为寻址字节。在寻址字节后是按指定读、写的数据字节与应答位。在数据传送完成后主器件都必字节与应答位。在数据传送完成后主器件都必须发送终止信号。在起始须发送终止信号。在起始与终止信号之间传输的数据字节数由主器件（单片机）决定，没有字节与终止信号之间传输的数据字节数由主器件（单片机）决定，没有字节数限制。数限制。46A A图图10-10 I2C总线一次完整的数据传送应答时序总线一次完整的数据传送应答时序10.3.3 AT89S51的的I2C总线系统扩展总线系统扩展 目前，许多公司都推出带有目前，许多公司都推出带有I2C总线接口的单片机及各种外围扩展器件，总线接口的单片机及各种外
47、围扩展器件，常见的有常见的有ATMEL公司的公司的AT24Cxx系列存储器、系列存储器、PHILIPS公司的公司的PCF8553（时钟（时钟/日历且带有日历且带有2568 RAM）和）和PCF8570（2568 RAM）、）、MAXIM公公司的司的MAX117/118（A/D转换器）和转换器）和MAX517/518/519（D/A转换器）等。转换器）等。 主器件通常由带有主器件通常由带有I2C总线接口的单片机来担当。从器件必须带有总线接口的单片机来担当。从器件必须带有I2C总总线接口。线接口。AT89S51单片机没有单片机没有I2C接口，可利用并行接口，可利用并行I/O口线结合软件来模拟口线结
48、合软件来模拟I2C总线时序。因此，在许多的应用中，都将总线时序。因此，在许多的应用中，都将I2C总线的模拟传送作为常规的总线的模拟传送作为常规的设计方法。设计方法。 图图10-11所示为所示为AT89S51单片机与具有单片机与具有I2C总线器件的扩展接口电路。图总线器件的扩展接口电路。图中，中，AT24C02为为E2PROM芯片，芯片，PCF8570为静态为静态2568 RAM，48R/W图图10-11 AT89S51单片机扩展单片机扩展I2C总线器件的接口电路总线器件的接口电路PCF8574为为8位位I/O接口，接口，SAA1064为为4位位LED驱动器。虽然各种器件的原理驱动器。虽然各种器
49、件的原理和功能有很大的差异，但它们与和功能有很大的差异，但它们与AT89S51单片机的连接是相同的。单片机的连接是相同的。10.3.4 I2C总线数据传送的模拟总线数据传送的模拟 使用使用I2C总线进行单片机系统扩展时，多为单主器件结构，这样总线数据总线进行单片机系统扩展时，多为单主器件结构，这样总线数据的传送控制比较简单，没有总线的竞争与同步，只存在单片机对的传送控制比较简单，没有总线的竞争与同步，只存在单片机对I2C总线上各总线上各从器件的读、写操作。由于从器件的读、写操作。由于AT89S51单片机没有单片机没有I2C接口，通常采用接口，通常采用I/O口线口线结合软件来实现结合软件来实现I
50、2C总线的数据传送的信号模拟。总线的数据传送的信号模拟。1典型信号模拟典型信号模拟 为了保证数据传送的可靠性，标准为了保证数据传送的可靠性，标准I2C总线的数据传送有严格的时序要求。总线的数据传送有严格的时序要求。I2C总线的起始信号、终止信号、应答总线的起始信号、终止信号、应答/数据数据“0”及非应答及非应答/数据数据“1”的模拟时的模拟时序如图序如图10-12图图10-15所示。所示。50对于发送应答位、非应答位来说，与发送数据对于发送应答位、非应答位来说，与发送数据“0”和和“1”的信号定时要的信号定时要求完全相同。只需要满足在时钟线求完全相同。只需要满足在时钟线SCL高电平大于高电平大
