串行總線(xiàn)詳解

1、 串行通信協(xié)議串行通信協(xié)議 串行總線(xiàn)的組成及工作原理串行總線(xiàn)的組成及工作原理采用串行總線(xiàn)技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大采用串行總線(xiàn)技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時(shí)，系簡(jiǎn)化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時(shí)，系統(tǒng)的更改和擴(kuò)充極為容易。統(tǒng)的更改和擴(kuò)充極為容易。常用的串行擴(kuò)展總線(xiàn)有：常用的串行擴(kuò)展總線(xiàn)有：?jiǎn)慰偩€(xiàn)單總線(xiàn)（1WIRE BUS） I2C （Inter IC BUS）總線(xiàn)）總線(xiàn)SPI（Serial Peripheral Interface）總線(xiàn)）總線(xiàn) One-Wire總線(xiàn)（單總線(xiàn)）總線(xiàn)（單總線(xiàn)） One-Wire總線(xiàn)是DALLAS公司研制開(kāi)發(fā)的協(xié)議。它由一個(gè)總

2、線(xiàn)主節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成系統(tǒng)，通過(guò)一根信號(hào)線(xiàn)對(duì)從芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。每一個(gè)符合 One-Wire協(xié)議的從芯片都有一個(gè)唯一的地址，包括48位的序列號(hào)、8位的家族代碼和8位的CRC代碼。主芯片對(duì)各個(gè)從芯片的尋址依據(jù)這64位的不同來(lái)進(jìn)行。One-Wire總線(xiàn)利用一根線(xiàn)實(shí)現(xiàn)雙向通信。因此其協(xié)議對(duì)時(shí)序的要求較嚴(yán)格，如應(yīng)答等時(shí)序都有明確的時(shí)間要求?；镜臅r(shí)序包括復(fù)位及應(yīng)答時(shí)序、寫(xiě)一位時(shí)序、讀一位時(shí)序。 在復(fù)位及應(yīng)答時(shí)序中，主器件發(fā)出復(fù)位信號(hào)后，要求從器件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)送回應(yīng)答信號(hào)；在位讀和位寫(xiě)時(shí)序中，主器件要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)讀回或?qū)懗鰯?shù)據(jù)。單總線(xiàn)的時(shí)序單總線(xiàn)的時(shí)序 One-Wire協(xié)議定義了復(fù)位脈沖、

3、應(yīng)答脈沖、寫(xiě)0、讀0和讀1時(shí)序等幾種信號(hào)類(lèi)型。所有的單總線(xiàn)命令序列（初始化，ROM命令，功能命令）都是由這些基本的信號(hào)類(lèi)型組成的。在這些信號(hào)中，除了應(yīng)答脈沖外，其他均由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)，并且發(fā)送的所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位低位在前。數(shù)字化溫度傳感器數(shù)字化溫度傳感器DS18B20DALLAS半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器器DS18B20是世界上第一片支持是世界上第一片支持“一線(xiàn)總一線(xiàn)總線(xiàn)線(xiàn)”接口的溫度傳感器。一線(xiàn)總線(xiàn)獨(dú)特而接口的溫度傳感器。一線(xiàn)總線(xiàn)獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念器網(wǎng)絡(luò)，為

4、測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念?，F(xiàn)在，新一代的?，F(xiàn)在，新一代的DS18B20體積更小、更體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。經(jīng)濟(jì)、更靈活。DS18B20測(cè)量溫度范圍為測(cè)量溫度范圍為 55+125。在。在 10+85范圍內(nèi)范圍內(nèi)，精度為，精度為 0.5?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)一線(xiàn)總線(xiàn)總線(xiàn)”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性的抗干擾性。DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如圖。DS18B20引腳定義如下：（1

5、）DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端。（2）GND為電源地。（3）VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線(xiàn)方式時(shí)接地）。DS18B20的的4個(gè)主要數(shù)據(jù)部件個(gè)主要數(shù)據(jù)部件（1）光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看做是該DS18B20的地址序列碼，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 64位光刻ROM的排列是：開(kāi)始8位（28H）是產(chǎn)品類(lèi)型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。8位檢驗(yàn)CRC48位序列號(hào)8位工廠代碼（10H） （2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量中的溫度傳感

6、器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以，以12位轉(zhuǎn)化為例：用位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。為符號(hào)位。DS18B20溫度值格式表如表所示。溫度值格式表如表所示。其中其中“S”為標(biāo)志位，對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位為標(biāo)志位，對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，表示測(cè)得溫度值為正，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為時(shí)，表示測(cè)得溫度值為正，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，表示測(cè)得溫度值為負(fù)時(shí)，表示測(cè)得溫度值為負(fù),先將補(bǔ)碼先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。SSSSS2

7、62524232221202-12-22-32-4DS18B20溫度與二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系7418溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06

8、251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H I2C-BUS I2C總線(xiàn)是總線(xiàn)是PHLIPS公司推出的一種串行總線(xiàn)，是具備多公司推出的一種串行總線(xiàn)，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線(xiàn)裁決和高低速器件同步功能的高主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線(xiàn)裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線(xiàn)。性能串行總線(xiàn)。 I2C總線(xiàn)只有兩根雙向信號(hào)線(xiàn)。一根是數(shù)據(jù)線(xiàn)總線(xiàn)只有兩根雙向信號(hào)線(xiàn)。一根是數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA，另，另一根是時(shí)鐘線(xiàn)一根是時(shí)鐘線(xiàn)SCL。 I2C總線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接正電源。當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，兩根線(xiàn)均總線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接正電源。當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，兩根線(xiàn)均為高電平。連到總線(xiàn)上的任

9、一器件輸出的低電平，都將使總為高電平。連到總線(xiàn)上的任一器件輸出的低電平，都將使總線(xiàn)的信號(hào)變低，即各器件的線(xiàn)的信號(hào)變低，即各器件的SDA及及SCL都是線(xiàn)都是線(xiàn)“與與”關(guān)系關(guān)系。 每個(gè)接到每個(gè)接到I2C總線(xiàn)上的器件都有唯一的地總線(xiàn)上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)即由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線(xiàn)上接收數(shù)據(jù)的器件則為為發(fā)送器。由總線(xiàn)上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器接收器。 在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動(dòng)總線(xiàn)傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，動(dòng)總線(xiàn)傳送數(shù)

10、據(jù)。為了避免混亂， I2C總線(xiàn)要通總線(xiàn)要通過(guò)總線(xiàn)仲裁，以決定由哪一臺(tái)主機(jī)控制總線(xiàn)。過(guò)總線(xiàn)仲裁，以決定由哪一臺(tái)主機(jī)控制總線(xiàn)。 數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定 I2C總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線(xiàn)上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在線(xiàn)上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線(xiàn)上的信號(hào)為低電時(shí)鐘線(xiàn)上的信號(hào)為低電平期間平期間，數(shù)據(jù)線(xiàn)上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。，數(shù)據(jù)線(xiàn)上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。 I2C總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送起始和終止信號(hào)起始和終止信號(hào) SCL線(xiàn)為高電平線(xiàn)為高電平期間，期間，SDA線(xiàn)線(xiàn)由由高電平向低電高電平向低電平

11、平的變化表示起始信號(hào)；的變化表示起始信號(hào)；SCL線(xiàn)為高電平期間，線(xiàn)為高電平期間，SDA線(xiàn)線(xiàn)由由低電平向高電平低電平向高電平的變化表示終止信號(hào)。的變化表示終止信號(hào)。 起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線(xiàn)就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線(xiàn)就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線(xiàn)就處于空閑狀態(tài)。號(hào)產(chǎn)生后，總線(xiàn)就處于空閑狀態(tài)。 連接到連接到I2C總線(xiàn)上的器件，若具有總線(xiàn)上的器件，若具有I2C總線(xiàn)的硬件接口，則總線(xiàn)的硬件接口，則很容易檢測(cè)到起始和終止信號(hào)。對(duì)于不具備很容易檢測(cè)到起始和終止信號(hào)。對(duì)于不具備I2C總線(xiàn)硬件接總線(xiàn)硬件接口的有些

12、單片機(jī)來(lái)說(shuō)，為了檢測(cè)起始和終止信號(hào)，必須保證口的有些單片機(jī)來(lái)說(shuō)，為了檢測(cè)起始和終止信號(hào)，必須保證在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線(xiàn)在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA采樣兩次采樣兩次。 接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無(wú)法立刻接收一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無(wú)法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線(xiàn)拉成低電平，從而線(xiàn)拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放時(shí)，再釋放SC

13、L線(xiàn)使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)線(xiàn)使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。進(jìn)行。 數(shù)據(jù)傳送格式數(shù)據(jù)傳送格式字節(jié)傳送與應(yīng)答字節(jié)傳送與應(yīng)答 每一個(gè)字節(jié)必須保證是每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。位）。 IO口模擬子程序（1）起始信號(hào)）起始信號(hào)void Start_I2c(void) SDA = 1; /發(fā)送起始條件的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送起始條件的數(shù)據(jù)信號(hào) DelayNus(2); SCL = 1 ; DelayN

14、us(6); /起始條件建立時(shí)間大于起始條件建立時(shí)間大于4.7us,延時(shí)延時(shí) SDA = 0; /發(fā)送起始信號(hào)發(fā)送起始信號(hào) DelayNus(6); /起始條件建立時(shí)間大于起始條件建立時(shí)間大于4.7us,延時(shí)延時(shí) SCL = 0; /鉗住鉗住I2C總線(xiàn)，準(zhǔn)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)總線(xiàn)，準(zhǔn)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù) （2）終止信號(hào)）終止信號(hào)void Stop_I2c(void) SDA = 0; DelayNus(2); SCL = 1; DelayNus(6);/起始條件建立時(shí)間大于起始條件建立時(shí)間大于4.7us,延時(shí)延時(shí) SDA = 1; DelayNus(6); 從機(jī)地址（Slave Address） I2

15、C 總線(xiàn)不需要額外的地址譯碼器和片選信號(hào)。多個(gè)具有 I2C 總線(xiàn)接口的器件都可以連接到同一條 I2C 總線(xiàn)上，它們之間通過(guò)器件地址來(lái)區(qū)分。主機(jī)是主控器件，它不需要器件地址，其它器件都屬于從機(jī)，要有器件地址。必須保證同一條 I2C 總線(xiàn)上所有從機(jī)的地址都是唯一確定的，不能有重復(fù)，否則 I2C總線(xiàn)將不能正常工作。 D7D1位組成從機(jī)的地址。位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫(xiě)數(shù)時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)，為據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)例： AT24C系列系列E2PROM芯片地址的固定部分芯片地址的固定部分為為1010，A

16、2、A1、A0引腳接高、低電平后得引腳接高、低電平后得到確定的到確定的3位編碼。形成的位編碼。形成的7位編碼即為該器件位編碼即為該器件的地址碼。的地址碼。子地址 帶有 I2C 總線(xiàn)的器件除了有從機(jī)地址（Slave Address）外，還可能有子地址。從機(jī)地址是指該器件在 I2C 總線(xiàn)上被主機(jī)尋址的地址， 而子地址是指該器件內(nèi)部不同部件或存儲(chǔ)單元的編址。例如，帶 I2C 總線(xiàn)接口的 E2PROM 就是擁有子地址器件的典型代表。 應(yīng)答 在 I2C 總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，每傳輸一個(gè)字節(jié)，都要跟一個(gè)應(yīng)答狀態(tài)位。接收器接收數(shù)據(jù)的情況可以通過(guò)應(yīng)答位來(lái)告知發(fā)送器。應(yīng)答位的時(shí)鐘脈沖仍由主機(jī)產(chǎn)生，而應(yīng)答位的數(shù)據(jù)狀

17、態(tài)則遵循“誰(shuí)接收誰(shuí)產(chǎn)生”的原則，即總是由接收器產(chǎn)生應(yīng)答位。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)答位由從機(jī)產(chǎn)生；主機(jī)從從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)答位由主機(jī)產(chǎn)生。 I2C總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：應(yīng)答位為 0 表示接收器應(yīng)答（ACK） ，常常簡(jiǎn)記為 A；為 1 則表示非應(yīng)答（NACK） ，常常簡(jiǎn)記為A。發(fā)送器發(fā)送完 LSB 之后，應(yīng)當(dāng)釋放 SDA 線(xiàn)（拉高 SDA，輸出晶體管截止） ，以等待接收器產(chǎn)生應(yīng)答位基本的數(shù)據(jù)傳輸格式在圖 4 和圖 5 中，各種符號(hào)的意義為： S：起始位（START） SA：從機(jī)地址（Slave Address） ，7 位從機(jī)地址 W：寫(xiě)標(biāo)志位（Write） ，1 位寫(xiě)標(biāo)志 R：讀標(biāo)志位（Read） ，1

18、位讀標(biāo)志 A：應(yīng)答位（Acknowledge） ，1 位應(yīng)答 /A：非應(yīng)答位（Not Acknowledge） ，1位非應(yīng)答 D：數(shù)據(jù)（Data） ，每個(gè)數(shù)據(jù)都必須是 8 位 P：停止位（STOP） 陰影：主機(jī)產(chǎn)生的信號(hào) 無(wú)陰影：從機(jī)產(chǎn)生的信號(hào) 重復(fù)起始條件（Repeated START condition） 主機(jī)與從機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，有時(shí)需要切換數(shù)據(jù)的收發(fā)方向（例如，訪問(wèn)某一具有 I2C總線(xiàn)接口的 E2PROM 存儲(chǔ)器時(shí)，主機(jī)先向存儲(chǔ)器輸入存儲(chǔ)單元的地址信息（發(fā)送數(shù)據(jù)） ，然后再讀取其中的存儲(chǔ)內(nèi)容（接收數(shù)據(jù)） ） 在切換數(shù)據(jù)的傳輸方向時(shí)，可以不必先產(chǎn)生停止條件再開(kāi)始下次傳輸，而是直接再一次產(chǎn)生開(kāi)

19、始條件。I2C 總線(xiàn)在已經(jīng)處于忙的狀態(tài)下，再一次直接產(chǎn)生起始條件的情況被稱(chēng)為重復(fù)起始條件。重復(fù)起始條件常常簡(jiǎn)記為 Sr。讀/寫(xiě)一字節(jié)子程序void SendByte(unsigned char c) unsigned char i; for(i=0;i8;i+) if(ci) & 0 x80) SDA = 1; /判斷發(fā)送位判斷發(fā)送位 else SDA =0; DelayNus(2); SCL = 1; DelayNus(6); SCL = 0; DelayNus(6); unsigned char RcvByte(void) unsigned char i; unsigned cha

20、r c=0; SDA = 1; for(i=0;i8;i+) SCL = 0; /置時(shí)鐘線(xiàn)為低，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位置時(shí)鐘線(xiàn)為低，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位 DelayNus(6);/時(shí)鐘低電平周期大于時(shí)鐘低電平周期大于4.7s SCL = 1; DelayNus(2); c=1; if(SDA) c+=1; /讀數(shù)據(jù)位，將接收的數(shù)據(jù)存讀數(shù)據(jù)位，將接收的數(shù)據(jù)存c SCL = 0; return c;SPI-BUS 同步串行外設(shè)接口同步串行外設(shè)接口(SPI)是由摩托是由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的全雙工同步串行總線(xiàn)，羅拉公司開(kāi)發(fā)的全雙工同步串行總線(xiàn)，該總線(xiàn)大量用在與該總線(xiàn)大量用在與EEPROM、ADC、FRAM和顯示驅(qū)動(dòng)器之類(lèi)的慢速外設(shè)和顯示驅(qū)動(dòng)器之類(lèi)的慢速外設(shè)器件通信器件通信通信方式通信方式單工通信： 信息只能單方