同步串行擴(kuò)展總線接口

［摘要］簡(jiǎn)要論述了當(dāng)前單片機(jī)測(cè)控領(lǐng)域常見的幾種同步串行擴(kuò)展總線的基本原理，給出了它們典型的應(yīng)用接口方式，同時(shí)對(duì)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的總線選擇提出一些建議。

［關(guān)鍵詞］同步串行總線；單總線；I2C；SPI

1串行總線接口簡(jiǎn)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(shí)時(shí)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(cè)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(jì)，所以串行總線廣泛應(yīng)用于單片機(jī)測(cè)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?？梢哉f串行總線是當(dāng)今單片機(jī)測(cè)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(chǎng)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(jì)提供一點(diǎn)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(jiǎn)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(fèi)類電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、儀器儀表及工業(yè)測(cè)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(gè)器件都有惟一的地址。MCU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和數(shù)據(jù)碼兩部分：地址碼用來標(biāo)識(shí)器件地址，即確定和哪個(gè)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(dú)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(jiǎn)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(hào)，對(duì)于有I2C的MCU直接接到對(duì)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(cè)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。使用SPI總線接口不僅能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，還可以提高設(shè)計(jì)的可靠性。SPI總線使用4條線：1）SCK（SerialClock），串行時(shí)鐘線，主機(jī)啟動(dòng)發(fā)送并產(chǎn)生SCK，從機(jī)被動(dòng)接收時(shí)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(hào)，低電平有效。典型的由SPI總線構(gòu)成的分布式測(cè)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(xiàng)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(hào)線，允許在這根信號(hào)線上掛數(shù)百個(gè)測(cè)控對(duì)象，這些測(cè)控對(duì)象使用的芯片每個(gè)都有一個(gè)64位的ROM，也稱之為身份證號(hào)，確保掛在單總線上后，可以被惟一地區(qū)分識(shí)別出來。ROM中含有CRC檢驗(yàn)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(chǔ)電路，一般不用另附電源。這些芯片在檢測(cè)地點(diǎn)就把模擬信號(hào)數(shù)字化，單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，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(shí)序和信號(hào)波形進(jìn)行初始化、識(shí)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(cè)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(hào)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(duì)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(duì)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(gè)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)确绞健Ｔ趩纹瑱C(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(chǔ)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(shí)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(jiǎn)化邏輯編程。圖2—4以AT89C51接兩片E2PROMX84041為例簡(jiǎn)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）。

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