单片机原理与接口技术(第3版)-第9章单片机系统电源设计与抗干扰技术PPT资料.pptPPT资料.ppt
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随着串行总线数据传输速率的逐渐提高和芯片逐渐系列化,为多功能、小型化和低成本的单片机系统的设计提供了更好的解决方案。
采用串行总线扩展技术可以使系统的硬件设计简化,系统的体积减小,系统的更改和扩充更为容易。
可以说串行总线技术已成为单片机总线的主导技术。
本章将主要介绍单片机系统的串行总线扩展技术和方法。
5,22:
05,9.1常用串行总线协议,为了简化集成电路之间的互连,Philips公司开发出一种标准外围总线互连接口,称为“集成电路间总线”或“内部集成电路总线”I2C(Inter-IC)。
I2C总线是一个两线双向串行总线接口标准,采用这种接口标准的器件只需要使用两条信号线与单片机进行连接,就可以完成单片机与接口器件之间的信息交互。
其相关的术语有:
发送器(Transmitter):
发送数据到总线的器件;
接收器(Receiver):
从总线接收数据的器件;
主器件(Master):
即主控器件,初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件;
从器件(Slave):
被主控器件寻址的器件。
9.1.1I2C串行总线,-术语,6,22:
05,9.1.1I2C串行总线,由于I2C总线的双向特性,总线上的主器件和从器件都可能成为发送器和接收器。
在主器件发送数据或命令时,主器件是发送器(主发送器);
在主器件接收从器件的数据时,主器件为接收器(主接收器);
从器件在接收主器件命令或数据时,从器件是接收器(从接收器);
从器件向主器件返回数据时则是发送器(从发送器)。
由于采用串行数据传输方式,其传输速率不是太高。
标准模式下数据传输速率为100kb/s;
快速模式下传输速率为400KB/s;
高速模式传输速率为3.4Mb/s。
-特性,7,22:
05,9.1.1I2C串行总线,采用I2C总线设计系统具有如下的优点:
(1)实际的器件与功能框图中的功能模块相对应,所有I2C器件共用一条总线,便于将框图转化成原理图。
(2)在两条线上完成寻址和数据传输,节省电路板体积。
(3)器件通过内置地址结合可编程地址的方式寻址,不需设计总线接口;
增加和删减系统中的外围器件,不会影响总线和其他器件的工作,便于系统功能的改进和升级。
(4)数据传输协议可以使系统完全由软件来定义,应用灵活适应面广。
(5)通过多主器件模式可以将外部调试设备连接到总线上,为调试、诊断提供便利。
-特点,8,22:
05,9.1.1I2C串行总线,I2C总线采用二线制传输,分别是:
串行数据线SDA(SerialDataLine)串行时钟线SCL(serialclockline)所有I2C器件都连接在SDA和SCL上。
单片机系统采用I2C总线可方便地扩展外部存储器、AD和DA转换器、实时时钟、键盘、显示等接口电路。
如下图。
1I2C总线的电气连接,-I2C总线,9,22:
05,9.1.1I2C串行总线,为了避免总线信号混乱和冲突,I2C总线接口电路均为漏极开路或集电极开路,总线上必须有上拉电阻。
上拉电阻与电源电压VDD和SDA/SCL总线串接电阻Rs有关,一般可选510K。
I2C总线的外围扩展器件大都是CMOS器件,总线有足够的电流驱动能力,因此总线扩展的节点数由负载电容特性决定,I2C总线的驱动能力为400pF。
可根据器件的I2C总线接口的等效电容确定可扩展的器件数目和总线的长度,以减小总线传输的延迟和出错。
-电气性能,10,22:
05,9.1.1I2C串行总线,I2C总线支持多主和主从两种工作方式。
一般的设计中I2C总线工作在主从工作方式,I2C总线上只有一个主器件,其它均为从器件。
主器件对总线具有控制权。
在多主方式中,通过硬件和软件的仲裁,主控制器取得总线控制权。
2I2C总线的工作方式,3I2C总线的器件寻址方式,I2C总线上连接的器件都是总线上的节点,每个时刻只有一个主控器件操控总线。
每个器件都有一个唯一确定的地址,主控器件通过这个地址实现对从器件的点对点数据传输。
器件的地址由7位组成,其后附加了1位方向位,确定数据的传输方向。
这8位构成了传输起始状态S后的第一个字节,如图所示。
-工作及寻址方式,11,22:
05,9.1.1I2C串行总线,器件的地址由4位固定位和3位可编程位组成。
固定位由生产厂家给出,用户不能改变。
可编程位与器件的地址管脚的连接相对应,当系统中使用了多个相同芯片时可以进行正确的访问。
-总线器件寻址方式,当主器件发送了数据帧的第一个字节后,总线上连接的从器件会将接收到的地址数据与自己的地址进行比较,被选中的从器件再根据方向位确定是接收数据还是发送数据。
不同的器件有时会有相同的固定地址编码,例如静态RAM器件PCF8570和EEPROM器件PCF8582的固定位均为1010,此时通过可编程位进行区分,如图所示。
12,22:
05,9.1.1I2C串行总线,I2C总线必须由主控器件控制,主控器件产生起始和停止条件,控制总线的传输方向,并产生时钟信号同步数据传输,如下图所示。
4I2C总线的的数据传输过程,总线上信号有:
起始信号(S),终止信号(P),应答信号(A/NA),数据信号等,-数据传输过程,13,22:
05,9.1.1I2C串行总线,总线信号:
(1)起始信号(S):
在时钟信号SCL为高电平时,数据线SDA从高电平变为低电平产生起始条件,标志着启动I2C总线。
(2)终止信号(P):
在时钟信号SCL为高电平时,数据线SDA从低电平变为高电平,标志着终止I2C总线传输过程。
(3)应答信号(A/NA):
I2C协议规定总线每传输一字节数据后,都要有一个应答位。
应答位由接收器件产生,即主器件向从器件发送数据时,应答位由从器件产生;
主器件接收从器件数据时,应答位由主器件产生。
数据接收方可以接收数据时,产生应答信号(ACK)。
当主器件接收从器件送来的最后一个数据后,必须给从器件发一个非应答信号(NACK),令从器件释放SDA信号线,这样主器件可以发送终止信号来结束数据的传输。
-总线信号,14,22:
05,9.1.1I2C串行总线,(4)数据信号:
地址和数据均以字节为单位,且高位在前,低位在后。
数据接收方每接收一字节数据都产生一个应答信号。
发送器必须在接收器发送应答信号前,预先释放对SDA线的控制(SDA=1),以便主控器件对SDA线上应答信号的检测。
时钟:
无论何种情况下时钟信号始终由主器件产生。
时钟线SCL的一个时钟周期只能传输一位数据,I2C总线的通信速率受主器件控制,在不超过芯片最快速度的情况下,取决于主器件的时钟信号。
-总线信号,时钟,15,22:
05,9.1.1I2C串行总线,-传输信息,主器件与从器件之间传输数据是交互进行的,除了起始位、结束位及数据外,还应包含被叫对象地址、操作性质(读/写)、应答等信息,即一次信息传输过程传输的信息包含6部分。
一个完整的数据传输过程如下图所示。
16,22:
05,9.1.1I2C串行总线,根据所连接的器件性质不同,在I2C总线上可能存在如下的数据传输方式:
(1)主器件发送命令或数据到从器件。
在寻址字节之后,主控发送器通过SDA线向从接收器发送信息,信息发送完毕后发送终止信号,以结束传送过程。
这种情况下数据传输的方向不发生变化。
例如向DA转换器写入数据,或向IO扩展器件写输出值。
如图(a)所示。
-数据传输方式,17,22:
05,9.1.1I2C串行总线,
(2)主器件读取从器件的数据。
寻址字节发送完成的第一个应答信号后,主器件由发送器变为接收器,从器件则转为发送器。
主器件通过SDA线接收从器件发送信息。
这种情况下数据传输方向会发生变化。
例如读取AD转换器的转换结果,或者读取IO扩展器件的输入信息。
如图(b)所示。
-数据传输方式,18,22:
05,9.1.1I2C串行总线,(3)复合模式。
主器件向从器件发送命令或数据后,再次向从器件进行一次操作性质相反的操作。
例如在对串行EEPROM的操作中,先向器件写入要访问的存储器地址,然后再向器件发送读取命令,读回数据。
如图(c)所示。
-数据传输方式,19,22:
05,9.1.1I2C串行总线,主机与从机进行通信时,有时需要切换数据的收发方向。
例如,访问某一具有I2C总线接口的EEPROM存储器时,主机先向存储器输入存储单元的地址信息(发送数据),然后再读取其中的存储内容(接收数据)。
在切换数据的传输方向时,可以不必先产生停止条件再开始下次传输,而是直接再一次产生开始条件。
I2C总线在已经处于忙的状态下,再一次直接产生起始条件的情况被称为重复起始条件。
重复起始条件常常简记为Sr。
正常的起始条件和重复起始条件在物理波形上并没有什么不同,区别仅仅是在逻辑方面。
在进行多字节数据传输过程中,只要数据的收发方向发生了切换,就要用到重复起始条件。
-数据传输方式,20,22:
05,9.1.1I2C串行总线,-I2C总线器件,5常用的I2C总线器件,21,22:
05,9.1.2SPI总线,SPI(SerialPeripheralInterface)总线也是当前广泛使用的一种串行外设接口,由Motorola公司提出,用来实现单片机与各种外围设备的串行数据交换。
外围设备可以是数据存储器、网络控制器、键盘和显示驱动器、A/D和D/A转换器。
SPI总线还可实现微控制器之间的数据通信等。
SPI总线主要特性在于采用3线同步传输,可以同时发出和接收串行数据,工作在全双工方式下。
SPI最高数据传输速率可达几Mbps。
-SPI总线特性,22,22:
05,9.1.2SPI总线,SPI总线采用四线通信,4根线分别为:
SCK:
串行时钟线,用作同步脉冲信号,有的芯片称为CLK;
MISO:
主机输入/从机输出数据线,有的芯片称为SDI、DI或SI;
MOSI:
主机输出/从机输入数据线,有的芯片称为SDO、DO或SO;
CS:
从机选择线,由主机控制,有的芯片称为nCS、CS或STE等。
-SPI总线的4根线,1SPI总线的电气连接,23,22:
05,9.1.2SPI总线,总线上有多个SPI接口的单片机时,应为一主多从,在某一时刻只能有一个单片机为主器件。
如果总线上只有一个SPI接口器件,不需要进行寻址操作而进行全双工通信。
-SPI总线连接,大多数SPI从器件具有三态输出,器件没有选中时处于高阻态,允许M
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