毛鳳 物電12級2班 1209030202

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單片機常用總線

微型計算機、單片機系統(tǒng)大都采用總線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是采用一組公共的信號線作為微型計算機各部件之間的通信線。這組公共信號線就稱為總線。單片機的常用總線有并行總線與串行總線，串行總線包括RS232、CAN、RS485、I2C總線、SPI總線等。其中RS232、RS485、CAN為外總線，它們是系統(tǒng)之間通信用總線。I2C、SPI是內(nèi)總線，主要用于系統(tǒng)內(nèi)芯片之間數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)主要介紹I2C、SPI和CAN總線的原理。I2C總線1.I2C總線的一般應用特征(1)二線傳輸。I2C總線上有所有的結(jié)點，如主器件（單片機、微處理器）、外圍器件、接口模塊等都連在同名端SDA、SCL上。(2)系統(tǒng)中有多個主器件時，這些器件可以做總線的主控制器（無中心主機），I2C總線工作時任何一個主器件都有可能成為主控制器，多機競爭時的時鐘同步與總線仲裁都由硬件與軟件模塊自動完成。(3)I2C總線傳輸時，采用狀態(tài)碼管理方法。對于總線傳輸時的任何一種狀態(tài)，在狀態(tài)寄存器中會出現(xiàn)相應的狀態(tài)碼，并會自動進入相應的狀態(tài)處理程序進行自動處理。I2C總線(4)系統(tǒng)中的所有外圍器件及模塊采用器件地址及引腳地址的編址方法。系統(tǒng)中主控制器對任何節(jié)點的尋址采用純軟件尋址方法，避免了片選的連線方法。系統(tǒng)中若有地址編碼沖突可通過改變地址的引腳電平來解決。(5)所有帶有I2C接口的外圍器件都具有應答功能。片內(nèi)有多個單元地址時，數(shù)據(jù)讀寫都有自動加1功能。這樣，在I2C總線對某一器件讀寫多個字節(jié)時很容易實現(xiàn)自動操作，即準備好讀寫入口條件后，只須啟動I2C總線就可以完成N個字節(jié)的讀寫操作。(6)I2C總線電氣接口為開漏晶體管組成，開路輸出沒有連到電源的鉗位二極管，而連到I2C總線的每個器件上，其自身電源可以獨立，但須共地?？偩€上各個結(jié)點可以在系統(tǒng)帶電情況下接入或撤出。I2C總線2.I2C總線的工作原理(1)I2C總線的接口電路圖7.45I2C接口電路結(jié)構(gòu)I2C總線(2)I2C總線的信號及時序定義

在I2C總線上每傳輸一位數(shù)據(jù)，都有一個時鐘脈沖相對應，其邏輯“0”和“1”的信號電平取決于該點的正端電源VDD的電壓。I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時，在時鐘線高電平期間數(shù)據(jù)線上必須保持有穩(wěn)定的邏輯電平狀態(tài)，高電平為數(shù)據(jù)1，低電平為數(shù)據(jù)0。只有在時鐘線為低電平時，才允許數(shù)據(jù)線上的電平變化。

I2C總線數(shù)據(jù)傳送時有兩種時序狀態(tài)被分別定義為起始信號和終止信號。I2C總線

起始信號：在時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線在由高電平到低電平變化時啟動I2C總線，為I2C總線的起始信號。終止信號：在時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線在由低電平到高電平變化時將停止I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，為I2C總線的終止信號。起始信號和終止信號都是由主控制器產(chǎn)生。總線上帶有I2C總線接口的器件很容易檢測到這些信號。但是對于不具備這些硬件接口的單片機來說，為了能準確地檢測到這些信號，必須保證在總線的一個時鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線至少進行兩次采樣。I2C總線(3)I2C總線上數(shù)據(jù)傳送格式①I2C總線上傳送的每一個字節(jié)均為8位，但每啟動一次I2C總線，其后的數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)數(shù)沒有限制。每傳送一個字節(jié)后都必須跟隨一個應答位，并且首先發(fā)送的數(shù)據(jù)位為最高位，在全部數(shù)據(jù)傳送后，主控制器發(fā)送終止信號，如圖7.46所示。圖7.46I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸I2C總線②從圖7.46中可以看到，沒有時鐘信號時，數(shù)據(jù)傳送將停止進行，接口的線與特征將使SCL在低電平時鉗住總線。這種情況可以用于當接收器接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后要進行一些其他工作而無法立即接收下一個數(shù)據(jù)時，迫使總線進入等待狀態(tài)，直到接收器準備好接收新數(shù)據(jù)時再釋放時鐘線使數(shù)據(jù)傳送得以繼續(xù)正常進行。例如，當接收器接收完主控制器的一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷信號并進行中斷處理，中斷處理完畢后才能接收下一個字節(jié)數(shù)據(jù)，這時接收器在中斷處理時鉗住SCL為低電平直到中斷處理完畢才釋放SCL。I2C總線③I2C總線數(shù)據(jù)傳送時，每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后都必須有應答信號，與應答信號相對應的時鐘由主控器產(chǎn)生，這時，發(fā)送器必須在這一個時鐘位上釋放數(shù)據(jù)線，使其處于高電平狀態(tài)，以便接收器在這一位上送出應答信號。應答信號在第9個時鐘位上出現(xiàn)，接收器輸出低電平為應答信號，輸出高電平為非應答信號。由于某種原因，被控器不產(chǎn)生應答時，如被控器正在進行其他處理而無法接收總線上的數(shù)據(jù)時，必須釋放總線，將數(shù)據(jù)線置高電平，然后主控器可通過產(chǎn)生一個停止信號來終止總線上的數(shù)據(jù)傳送。當主控器接收數(shù)據(jù)時，接收最后一個字節(jié)后，必須給被控發(fā)送器發(fā)送一個非應答位，使被控發(fā)送器釋放數(shù)據(jù)線，以便主控制器發(fā)送停止信號，從而終止數(shù)據(jù)傳送。I2C總線④I2C總線數(shù)據(jù)傳送時必須遵循規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，如圖7.47為I2C總線的一次完整的數(shù)據(jù)傳送格式。圖7.47I2C總線的一次完整的數(shù)據(jù)傳送I2C總線

按照總線規(guī)約，起始信號表明一次數(shù)據(jù)傳送的開始，其后為尋址字節(jié)，尋址字節(jié)由高7位地址和最低1位方向位組成，方向位表明主控制器與被控制器數(shù)據(jù)傳送方向，方向位為0時，表示主控制器對被控制器的寫操作，方向位為1時，表示主控制器對被控制器的讀操作。在尋址字節(jié)后是按指定讀寫操作的數(shù)據(jù)字節(jié)與應答位。在數(shù)據(jù)傳送完成后主控制器必須發(fā)送停止信號。I2C總線(4)I2C總線尋址約定

為了消除I2C總線系統(tǒng)中主控制器與被控制器的地址選擇線，最大限度的簡化總線連接線，I2C總線采用了獨特的尋址方式，規(guī)定了起始信號后的第一個字節(jié)為尋址字節(jié)，用來尋址被控器件，并規(guī)定數(shù)據(jù)傳送方向。在I2C總線標準規(guī)定中，尋址字節(jié)由被控器的7位地址位（它占據(jù)了D1~D7位）和1位方向位（為D0位）組成。方向位為0時表示主控器將數(shù)據(jù)寫入被控器，為1時表示主控器從被控器讀出數(shù)據(jù)。主控器發(fā)送起始信號后，立即發(fā)送尋址字節(jié)，這時，總線上的所有器件都將尋址字節(jié)中的7位地址與自己器件地址相比較，如兩者相同，則該器件認為被主控器尋址，并根據(jù)讀寫位確定是被控發(fā)送器或被控接收器。I2C總線I2C總線系統(tǒng)中，主器件（單片機）作為被控器時，其7位從地址在I2C總線總線地址寄存器中給定，為純軟件地址。而非單片機類型的外圍器件地址完全由器件類型與引腳地址給定，即器件的7位地址由器件的編碼（高4位D7~D4）和引腳地址（低3位D3~D1）組成，如8位I/O擴展器件PCF8574其器件編號地址為0111，引腳地址為A2、A1、A0。如果在I2C總線系統(tǒng)中PCF8574地址引腳A2、A1、A0皆接地，則該器件的尋址字節(jié)為SLAW=70H。I2C總線上同一編號地址器件最大允許接入數(shù)量取決于可利用的地址引腳數(shù)。

I2C總線地址統(tǒng)一由I2C總線委員會實行分配。其中兩組編號地址0000和1111已被保留作特殊用途，如表7.21所示。I2C總線規(guī)約所給出的這些保留地址使得I2C總線能與其他規(guī)約混合使用，只有那些能夠以這種格式和規(guī)約工作的I2C總線兼容器才允許對這些保留地址進行應答。I2C總線表7.21I2C總線中的特殊尋址字節(jié)I2C總線3.MCS-51單片機與I2C總線接口圖7.48MCS-51與FM24C64接口電路圖I2