單片機(jī)技術(shù)與項(xiàng)目訓(xùn)練 課件 第9章 單片機(jī)串行總線通信設(shè)計(jì)

單片機(jī)串行總線通信設(shè)計(jì)第9章在單片機(jī)的通信技術(shù)中，串行通信扮演著重要的角色。除串口數(shù)據(jù)通信之外，單片機(jī)與外部的通信還有常用的I2C總線、SPI總線等，它們都是標(biāo)準(zhǔn)的串行總線通信技術(shù)，有的單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)包含了這些接口硬件設(shè)計(jì)。然而，也有很多芯片、設(shè)備并不具備標(biāo)準(zhǔn)的串行總線接口，而是提供了接口的協(xié)議和控制時(shí)序，需要單片機(jī)通過(guò)I/O口來(lái)模擬產(chǎn)生時(shí)序邏輯控制脈沖對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行讀/寫控制。引言目錄單片機(jī)I/O口時(shí)序控制方法1DS18B20數(shù)字溫度傳感器通信2本章小結(jié)6項(xiàng)目訓(xùn)練一：溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)3項(xiàng)目訓(xùn)練二：精準(zhǔn)數(shù)字鐘設(shè)計(jì)5行業(yè)PPT模板/hangye/DS1302時(shí)鐘芯片通信49.1單片機(jī)I/O時(shí)序控制方法9.1.1并行轉(zhuǎn)串行單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通常以字節(jié)為單位，而單片機(jī)與外圍設(shè)備的通信需要通過(guò)I/O口將單片機(jī)內(nèi)部的字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送出來(lái)，這就需要經(jīng)過(guò)并行到串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，把8位數(shù)據(jù)按位展開，一位接一位地把數(shù)據(jù)順序傳送出去，即把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)。在通信接口的設(shè)計(jì)中，除需要一根數(shù)據(jù)線外，通常還需要一根時(shí)鐘線（并不是必需的）作為數(shù)據(jù)的時(shí)間基準(zhǔn)。9.1.1并行轉(zhuǎn)串行圖1一種并行轉(zhuǎn)串行的時(shí)序9.1.1并行轉(zhuǎn)串行1時(shí)鐘輸出

時(shí)鐘的波形是一個(gè)方波，方波的輸出在第5章介紹過(guò)，可以用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這里的方波需要和數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行配合，定時(shí)器的輸出方式不適合這樣的操作。因此，可以采用延時(shí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，延時(shí)的時(shí)間根據(jù)時(shí)序參數(shù)的要求設(shè)定即可。2串行數(shù)據(jù)的輸出串行數(shù)據(jù)的輸出是重點(diǎn)，它是把1字節(jié)的數(shù)據(jù)變?yōu)?位的數(shù)據(jù)順序輸出，需要用到的算法如下。設(shè)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為0x56，其二進(jìn)制數(shù)是01010110，要把這些二進(jìn)制數(shù)由低位到高位拆分出來(lái)，需要用到與運(yùn)算和移位運(yùn)算。算法解釋如下。（1）把數(shù)據(jù)和0x01進(jìn)行與運(yùn)算（2）把數(shù)據(jù)右移一位，得到00101011，再和00000001進(jìn)行與算法，得到00000001，把它送到I/O口，I/O口上得到的數(shù)據(jù)為“1”。（3）以此類推，最后即可把一字節(jié)的數(shù)據(jù)按位拆開送到I/O口，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由并行轉(zhuǎn)串行的操作。程序算法通過(guò)一條語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)：

DATA=(send_data>>i)&0x1; //i從0到7遞增9.1.1并行轉(zhuǎn)串行3合并操作把時(shí)鐘產(chǎn)生和串行數(shù)據(jù)輸出合并在一起，就可以實(shí)現(xiàn)類似圖1的時(shí)序控制要求，即先把時(shí)鐘置1（初始為0），產(chǎn)生上升沿脈沖并延時(shí)；然后做與運(yùn)算和移位運(yùn)算和與運(yùn)算，把結(jié)果輸出并延時(shí)；最后把時(shí)鐘置0，并延時(shí)，延時(shí)的時(shí)間根據(jù)實(shí)際要求而定。主要的算法示例程序如下：for(i=0;i<8;i++){ CLK=1;//時(shí)鐘上升沿延時(shí); DATA=(send_data>>i)&0x1; //將send_data的第i位賦DATA

延時(shí); CLK=0; //時(shí)鐘下降沿 延時(shí);}9.1.2串行轉(zhuǎn)并行1時(shí)鐘上升沿檢測(cè)程序中是通過(guò)while(1)來(lái)循環(huán)檢測(cè)CLK的狀態(tài)的，當(dāng)檢測(cè)到上一次的CLK的狀態(tài)clk_history為0，并且當(dāng)前的CLK狀態(tài)clk_get為1時(shí)，即認(rèn)為檢測(cè)到一個(gè)時(shí)鐘上升沿。while(1){ clk_get=CLK; //在一次while循環(huán)中，只采樣一次CLK端口

if((clk_history==0)&&(clk_get==1)) //時(shí)鐘上升沿

{...（略）//起始位檢測(cè)及有效數(shù)據(jù)的讀取

} clk_history=clk_get;}后面的起始位檢測(cè)及有效數(shù)據(jù)的讀取均在檢測(cè)到時(shí)鐘上升沿時(shí)進(jìn)行。9.1.2串行轉(zhuǎn)并行2起始位檢測(cè)使用一個(gè)關(guān)鍵變量state來(lái)表示單片機(jī)程序當(dāng)前的工作狀態(tài)，當(dāng)state為0時(shí)，表示當(dāng)前處于起始位檢測(cè)狀態(tài)；當(dāng)state為1時(shí)，表示當(dāng)前處于有效數(shù)據(jù)的讀取狀態(tài)。state的初始值為0，當(dāng)檢測(cè)到CLK上升沿有效且DATA的數(shù)據(jù)為0時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)到起始位，將state置1。9.1.2串行轉(zhuǎn)并行3有效數(shù)據(jù)讀取當(dāng)state為1時(shí)，進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的讀取。通過(guò)變量cnt來(lái)表示當(dāng)前讀取的串行數(shù)據(jù)位是接收數(shù)據(jù)data_receive的第幾位，cnt的數(shù)值為0～7。從I/O口讀進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)是一個(gè)接一個(gè)的二進(jìn)制數(shù)，需要把它們組合到一起，形成1字節(jié)的數(shù)據(jù)，這里需要用到左移和或運(yùn)算。算法原理是：在時(shí)鐘信號(hào)CLK上升沿到來(lái)時(shí)讀取一位I/O口（DATA）的數(shù)據(jù)（data_get），左移cnt（cnt初始值為0）位后，將其和存放最終結(jié)果的變量data_receive進(jìn)行或運(yùn)算，并將結(jié)果存放到data_receive中，依次循環(huán)執(zhí)行類似操作，便可將串行的位數(shù)據(jù)組合或1字節(jié)數(shù)據(jù)。算法實(shí)現(xiàn)如下：data_receive|=(data_get<<cnt);當(dāng)有效數(shù)據(jù)全部采集完后（CLK上升沿有效，state為1，cnt為7），將cnt置0、state置0，并將最終采集的并行數(shù)據(jù)賦給P0口顯示。9.1.2串行轉(zhuǎn)并行課堂練習(xí)

參考例9-1和例9-2,搭建一個(gè)并行轉(zhuǎn)串行和串行轉(zhuǎn)并行系統(tǒng)，并編寫單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)串行通信。9.2

DS18B20數(shù)字溫度傳感器通信9.2.1DS18B20基本知識(shí)圖2DS18B20的封裝與引腳DS18B20數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件（1-Wire），具有線路簡(jiǎn)單。體積小的特點(diǎn)。因此用它組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)具有線路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。在一根通信線上，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度傳感器。而且它輸出的是數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)接口連接非常方便，不需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換。9.2.1DS18B20基本知識(shí)1DS18B20產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。其中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。測(cè)量溫度范圍為-55～+125℃。用戶可以從9位到12位選擇其分辨率。內(nèi)部有溫度上、下限

告警設(shè)置。9.2.1DS18B20基本知識(shí)2．DS18B20的4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件（1）64位序列號(hào)編碼：可用來(lái)區(qū)分多個(gè)連接在同一總線上的DS18B20器件。（2）溫度數(shù)值：最高12位，用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB的形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位，其格式如圖3所示。二進(jìn)制序列中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度值大于0，那么這5位為0，只要將測(cè)得的數(shù)值乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果測(cè)得的溫度值小于0，那么這5位為1，測(cè)得的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625，這樣可得到實(shí)際溫度值。圖3

DS18B20的溫度值格式9.2.1DS18B20基本知識(shí)（3）配置寄存器。如圖4所示，該字節(jié)各位的意義：低5位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20是在工作模式下還是在測(cè)試模式下。在DS18B20出廠時(shí)，該位被設(shè)置為0，用戶不要改動(dòng)。R1和R0用來(lái)設(shè)置分辨率。圖4配置寄存器數(shù)據(jù)格式9.2.1DS18B20基本知識(shí)（4）存儲(chǔ)器。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的且可電擦除的EEPROM，高速暫存RAM由9字節(jié)組成，其分布如表1所示。寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位(LSByte)0溫度值高位(MSByte)1高溫限值(TH)2低溫限值(TL)3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗(yàn)值8表1DS18B20的高速暫存RAM分布9.2.1DS18B20基本知識(shí)3DS18B20控制指令（1）復(fù)位。根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟。①每次讀/寫前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作。②復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令。③發(fā)送RAM指令。9.2.1DS18B20基本知識(shí)（2）寫時(shí)序voidWR_Bit(biti){DQ=0; //總線拉低，產(chǎn)生寫時(shí)序_nop_();_nop_(); //總線拉低持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)于1μsDQ=i; //寫數(shù)據(jù)delayxus15(3); //延時(shí)45μs，等待DS18B20采樣讀取DQ=1; //拉高釋放總線}圖5DS18B20寫操作時(shí)序9.2.1DS18B20基本知識(shí)（3）讀時(shí)序unsignedcharRead_Bit(){unsignedcharreadb;DQ=0; //拉低總線_nop_();_nop_();DQ=1; //釋放總線_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();readb=DQ; //讀時(shí)隙產(chǎn)生7μs后讀取總線數(shù)據(jù)

delayxus15(3); //延時(shí)45μs，滿足讀時(shí)隙的時(shí)間要求

DQ=1; //釋放總線

returnreadb; //返回讀取的數(shù)據(jù)}9.2.1DS18B20基本知識(shí)圖6DS18B20讀操作時(shí)序9.2.2單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行通信虛擬串口軟件VSPD圖7虛擬串口軟件界面9.3項(xiàng)目訓(xùn)練一：溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.3.1項(xiàng)目要求利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度的采集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，要求每秒傳送一次。計(jì)算機(jī)可以根據(jù)不同的溫度情況對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的通信與控制。要求利用Proteus仿真軟件來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)。9.3.2項(xiàng)目分析溫度采集系統(tǒng)包含數(shù)字溫度傳感器DS18B20，單片機(jī)將DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，要求每秒種傳送一次。這里的每秒可以用軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里采用軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，需要注意雙方串口的模式及波特率要一致，可考慮將單片機(jī)串口設(shè)置為工作方式1，波特率為2400bit/s。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，可以采用LED顯示出來(lái)。9.3.3原理圖設(shè)計(jì)圖8

溫度采集系統(tǒng)電路原理圖9.3.4編寫單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串行通信的程序圖9軟件總體流程9.3.5調(diào)試程序圖10

COMPIN屬性設(shè)置打開串口調(diào)試助手，修改串口為COM1，波特率為2400bit/s，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位8位，停止位為1位，如圖10所示。用Proteus打開仿真電路文件，先設(shè)置AT89C51的屬性，晶振為12MHz。打開串口COMPIN的屬性對(duì)話框，Physicalport選擇COM2，波特率為2400，校驗(yàn)位為None，數(shù)據(jù)位8，停止位為l。如果需要用到波特率9600bit/s，則需要將晶振改為11.0592MHz。9.4DS1302時(shí)鐘芯片通信9.4.1DS1302基本知識(shí)DS1302是DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5V。它采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8字節(jié)的用于臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的RAM。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。圖11

DS1302的引腳功能圖和應(yīng)用電路圖9.4.2DS1302的控制字節(jié)DS1302的控制字節(jié)如圖12所示?？刂谱止?jié)的最高有效位（位7）必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302。位6如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)；為1表示存取RAM數(shù)據(jù)。位5至位1指示操作單元的地址。最低有效位（位0）如果為0，則表示要進(jìn)行寫操作；為1表示進(jìn)行讀操作?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸出的。圖12

DS1302的控制字節(jié)9.4.3DS1302的寄存器READWRITEBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0RANGE81

H80HCH10SecondsSeconds00～5983H82H

10MinutesMinutes00～5985H84H0:241:12010HourHour1～12/0～230:AM1:PM87H86H0010DateDate1～3189H88H00010MonthMonth1～128BH8AH00000Day1～78DH8CH10YearYear00～998FH8EHWP0000000—91H90HTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS—表2DS1302的寄存器9.4.4DS1302的讀寫時(shí)序圖13

DS1302的讀寫時(shí)序9.5項(xiàng)目訓(xùn)練二：精準(zhǔn)數(shù)字鐘設(shè)計(jì)9.5.1項(xiàng)目要求與項(xiàng)目分析利用單片機(jī)讀取DS1302的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，并將其時(shí)、分、秒數(shù)據(jù)顯示在8位數(shù)碼管上。單片機(jī)通過(guò)SPI接口與DS1302時(shí)鐘芯片進(jìn)行通信，由于8051單片機(jī)片內(nèi)部沒(méi)有SPI硬件接口，所以需要通過(guò)I/O口模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI時(shí)序。數(shù)字鐘需要將其時(shí)、分、秒數(shù)據(jù)顯示在8位數(shù)碼管上，一般采用的是動(dòng)態(tài)掃描顯示方法。9.5.2原理圖設(shè)計(jì)圖14

精準(zhǔn)數(shù)字鐘電路圖9.5.3編寫精準(zhǔn)數(shù)字鐘的程序voidDs1302Write(ucharaddr,uchardat){ ucharn; CE=0; _nop_(); SCLK=0;//將SCLK置低電平

_nop_(); CE=1;//將CE（CE）置高電平

_nop_(); for(n=0;n<8;n++)//開始傳送8位地址指令

{ DSIO=addr&0x01;//數(shù)據(jù)從低位開始傳送

addr>>=1; SCLK=1;//數(shù)據(jù)在上升沿時(shí)，DS1302讀取數(shù)據(jù)

_nop_();SCLK=0;_nop_(); } for(n=0;n<8;n++) //寫入8位數(shù)據(jù)

{ DSIO=dat&0x01; dat>>=1; SCLK=1; //數(shù)據(jù)在上升沿時(shí)，DS1302讀取數(shù)據(jù)

_nop_(); SCLK=0; _nop_(); }

CE=0; //傳送數(shù)據(jù)結(jié)束

_nop_();}1向DS1302寫指令（地址+數(shù)據(jù)）9.5.3編寫精準(zhǔn)數(shù)字鐘的程序ucharDs1302Read(ucharaddr){ ucharn,dat,dat1; CE=0; _nop_(); SCLK=0;//將SCLK置低電平

_nop_(); CE=1; //將CE（CE）置高電平

_nop_(); for(n=0;n<8;n++)//開始傳送8位地址指令

{ DSIO=addr&0x01;//數(shù)據(jù)從低位開始傳送

addr>>=1;SCLK=1; //數(shù)據(jù)在上升沿時(shí)，DS1302讀數(shù)據(jù)

nop_(); SCLK=0; //DS1302下降沿時(shí)，放置數(shù)據(jù)

_nop_(); } _nop_(); for(n=0;n<8;n++) //讀取8位數(shù)據(jù)

{ dat1=DSIO; //