《單片機原理與應用》課件1第7章

第七章單片機串行口及應用7.1串行口的結構與工作原理

7.2工作方式與波特率的設置

7.3I2C總線及應用7.4串行口應用舉例7.5RS-232C與USB簡介

思考練習題

7.1串行口的結構與工作原理

80C51單片機中的串行口是一個全雙工通信接口，能同時進行發(fā)送和接收。它可以作UART(通用異步接收和發(fā)送器)用，也可以作同步移位寄存器用。其幀格式和波特率可通過軟件編程設置，在使用上非常方便靈活。

7.1.1串行口的結構

80C51單片機的串行口主要由兩個數(shù)據(jù)緩沖器、一個輸入移位寄存器、一個串行控制寄存器SCON和一個波特率發(fā)生器T1等組成，其結構見圖7-1。圖7-1串行口結構串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF是可以直接尋址的專用寄存器，在80C51中，一個作為發(fā)送緩沖器，一個作為接收緩沖器，兩個緩沖器共用一個地址99H，由讀/寫信號區(qū)分。CPU寫SBUF時為發(fā)送緩沖器，讀SBUF時為接收緩沖器。接收緩沖器是雙緩沖的，可以避免在接收下一幀數(shù)據(jù)之前，CPU未能及時響應接收器的中斷，把上幀數(shù)據(jù)取走，而產(chǎn)生兩幀數(shù)據(jù)重疊的問題。對于發(fā)送緩沖器，為了保持最大傳輸速率，一般不需要雙緩沖，這是因為發(fā)送時CPU是主動的，不會產(chǎn)生寫重疊的問題。

特殊功能寄存器SCON用來存放串行口的控制和狀態(tài)信息。T1作為串行口的波特率發(fā)生器，其波特率是否增倍可由特殊功能寄存器PCON的最高位控制。7.1.2串行通信過程

串行通信的過程如下。

(1)接收數(shù)據(jù)的過程：在進行通信時，當CPU允許接收時(即SCON的REN位置1)，外界數(shù)據(jù)通過引腳RXD(P3.0)串行輸入，數(shù)據(jù)的最低位首先進入輸入移位寄存器；一幀接收完畢再并行送入緩沖器SBUF中，同時將接收中斷標志位RI置位，向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應中斷后，用軟件將RI位清除，同時讀取輸入的數(shù)據(jù)。接著又開始下一幀的輸入過程，重復直至所有數(shù)據(jù)接收完畢。

(2)發(fā)送數(shù)據(jù)的過程：CPU要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)并行寫入發(fā)送緩沖器SBUF中，同時啟動數(shù)據(jù)由TXD(P3.1)引腳串行發(fā)送。當一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完即發(fā)送緩沖器空時，由硬件自動將發(fā)送中斷標志位TI置位，向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應中斷后，用軟件將TI位清除，同時將下一幀數(shù)據(jù)寫入SBUF中，重復上述過程直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

7.1.3串行口工作方式及幀格式

80C51單片機串行口可以通過軟件設置四種工作方式，各種工作方式的數(shù)據(jù)格式均有所不同，四種工作方式及幀格式如下。

1．方式0

這種工作方式比較特殊，與常見的微型計算機的串行口不同，它又叫同步移位寄存器輸出方式。在這種方式下，數(shù)據(jù)從RXD端串行輸出或輸入，同步信號從TXD端輸出，波特率固定不變，為振蕩頻率的1/12。該方式以8位數(shù)據(jù)為一幀，沒有起始位和停止位，先發(fā)送或接收最低位。

2．方式1

串行口采用該方式時，特別適合于點對點的異步通信。該方式規(guī)定發(fā)送或接收一個字符10位為一幀，即1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，波特率可以改變。

3．方式2

采用這種方式可以接收或發(fā)送11位數(shù)據(jù)，以11位為一幀，它比方式1增加了一個數(shù)據(jù)位，其余相同。第9個數(shù)據(jù)即D8位具有特別的用途，可以通過軟件來控制，再加上特殊功能寄存器SCON中SM2位的配合，可使80C51單片機串行口適用于多機通信。方式2的波特率固定，只有兩種選擇，為振蕩頻率的1/64或1/32，可由PCON的最高位選擇。

4．方式3

方式3和方式2完全類似，唯一的區(qū)別是方式3的波特率是可變的。方式3的幀格式與方式2一樣，為11位一幀，所以方式3也適用于多機通信。7.1.4串行口控制

80C51串行口的工作方式選擇、中斷標志、可編程位的設置、波特率的增倍均是通過兩個特殊功能寄存器SCON和PCON來控制的。

1．電源和波特率控制寄存器PCON

PCON的地址為87H，只能進行字節(jié)尋址，不能按位尋址。PCON是為在CHMOS結構的51系列單片機上實現(xiàn)電源控制而附加的，而HMOS結構的51系列單片機只用了其最高位，其余位都是虛設的。PCON的最高位D7位作SMOD，是串行口波特率的增倍控制位。當SMOD=1時，波特率加倍。當SMOD=0時，波特率不加倍。系統(tǒng)復位時，SMOD位為0。PCON其它各位定義在第二章已述。

2．串行口控制寄存器SCON

深入理解SCON各位的含義，正確地用軟件設定修改SCON各位是運用80C51串行口的關鍵。該專用寄存器的主要功能是串行通信方式選擇，接收和發(fā)送控制及串行口的狀態(tài)標志指示等。其各位的含義如下：

(1)?SCON.7和SCON.6為SM0、SM1位——串行工作方式選擇位。

(2)SCON.4為REN位——可用軟件允許/禁止串行接收，REN=1時允許串行口接收數(shù)據(jù)，REN=0時禁止串行口接收數(shù)據(jù)。

(3)SCON.5、SCON.3和SCON.2為SM2和TB8、RB8位——實現(xiàn)多機通信的控制位。

在方式0下，SM2應設置為0，不用TB8和RB8位。在方式1下，當SM2=0時，RB8是接收到的停止位；當SM2=1時，則只有收到有效的停止位才會激活RI使之置1，否則RI不置位。

在方式2和方式3下，TB8是發(fā)送的第9位(D8)數(shù)據(jù)，可用軟件置1和置0；RB8是接收到的第9位(D8)數(shù)據(jù)。這兩位也可以作為奇偶校驗位。當單片機在方式2或方式3下處于接收狀態(tài)時，若SM2=1，且接收到的第9位RB8為0，則RI不置1；若SM2=1，且RB8也為1，則RI置1。

當單片機在方式2或方式3下處于多機通信狀態(tài)時，TB8和RB8位可作為地址數(shù)據(jù)幀標志位。一般約定地址幀為“1”，數(shù)據(jù)幀為“0”。

(4)?SCON.1為TI位——作發(fā)送中斷標志。

在方式0中，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位；在其它方式中，在發(fā)送停止位之初，由硬件置位。TI置位后可向CPU申請中斷。任何方式下都必須由軟件來清除TI。

(5)?SCON.0為RI位——作接收中斷標志。

在方式0下，接收完8位數(shù)據(jù)后，RI位由硬件置位；在其它方式下，在接收停止位的一半時由硬件將RI置位(還應考慮SM2的設定)。RI被置位后可允許CPU申請中斷，任何方式都必須由軟件來清除RI。

7.2工作方式與波特率的設置

7.2.1各方式波特率的設置

在串行通信中，收發(fā)雙方對發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)速率(即波特率)要有一定的約定。串行口的工作方式可以通過編程選擇4種工作方式中的一種。各種方式下其波特率的設置均有所不同，方式0和方式2的波特率是固定的；而方式1和方式3的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率控制。下面分別予以說明。

1．方式0和方式2

在方式0時，每個機器周期發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)，因此波特率固定為振蕩頻率的1/12，且不受SMOD位的控制。

方式2的波特率要受PCON中SMOD位的控制，當SMOD設置為0時，波特率為振蕩頻率的1/64即等于fosc/64；若SMOD設置為1時，則波特率等于fosc/32。方式2的波特率可用下式表示：

2．方式1和方式3

80C51串行口方式1和方式3的波特率由定時器T1的溢出率與SMOD位同時控制。其波特率可以用以下方式表示：

其中，N=32或16，取決于PCON的SMOD位的值。SMOD=0時，N=32；SMOD=1時，N=16。因此波特率也可用下式來表示：T1的溢出周期為

溢出率為溢出周期之倒數(shù)，所以

定時器T1方式2的計數(shù)初值由上式可得：

例7-1

選用定時器T1，工作方式2，作波特率發(fā)生器，波特率為2400波特/秒。已知fosc?=?11.0592?MHz，求計數(shù)初值X。

解設波特率控制位SMOD=0，不增倍時：

所以 TH1?=?TL1?=?F4H

如果串行通信選用很低的波特率，設置定時器T1為方式0或方式1定時，當T1產(chǎn)生溢出時需要重裝計數(shù)初值，故對波特率會產(chǎn)生一定的誤差。7.2.2串行口各工作方式的應用

通過對串行口的SCON控制寄存器編程可以選擇4種工作方式，各方式使用方法分述如下。

1．方式0用法

80C51串行口的方式0用于同步移位寄存器式的輸入輸出，8位數(shù)據(jù)從RXD(P3.0)引腳輸入輸出，由TXD(P3.1)引腳輸出移位時鐘使系統(tǒng)同步，波特率固定為fosc/12，即每一個機器周期輸出或輸入一位數(shù)據(jù)。

(1)方式0發(fā)送。以圖7-2為例說明串行口方式0發(fā)送的基本連線方法、工作時序(只畫出了RXD、TXD的波形)以及基本軟件的編程方法。圖7-2方式0發(fā)送連線及時序圖7-2中采用一個74HC164串入并出移位寄存器，串行口的數(shù)據(jù)通過RXD引腳加到74HC164的輸入端，串行口輸出移位時鐘通過TXD引腳加到74HC164的時鐘端。使用另一條I/O線P1.0控制164的CLR選通端(也可以將74HC164的選通端直接接高電平)。

根據(jù)以上硬件連接方法，對串行口方式0發(fā)送數(shù)據(jù)過程編程如下：

SCON=0x00; //選通方式0

P1.0=1; //選通74HC164

SBUF=data; //數(shù)據(jù)寫入SBUF并啟動發(fā)送

while(TI==0); //等待一個字節(jié)發(fā)送完成

P1.0=0; //關閉164選通

TI=0; //清除TI中斷標志

…

若還需要繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)，只要使程序返回到第二條指令處即可。

(2)方式0接收。以圖7-3為例說明串行口方式0的基本連線方法、工作時序及編程方法。圖7-3方式0接收連線及時序

2．方式1用法

當串行口定義為方式1時，可作為異步通信接口，一幀為10位：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位；波特率可以改變，由SMOD位和T1的溢出率決定。串行口方式1的發(fā)送和接收時序如圖7-4所示。圖7-4串行口方式1的發(fā)送和接收時序

(1)發(fā)送時序。任何一條寫入SBUF指令，都可啟動一次發(fā)送，使發(fā)送控制器的SEND(發(fā)送)端有效(即SEND=0)，同時自動添加一個起始位向TXD端輸出。首先發(fā)送一個起始位0，此后每經(jīng)過一個時鐘周期產(chǎn)生一個移位脈沖，并且由TXD端輸出一個數(shù)據(jù)位。當8位數(shù)據(jù)全部送完后，使TI置1，可申請中斷，置TXD=1作為停止位，再經(jīng)一個時鐘周期撤消SEND信號。

(2)接收時序。方式1是靠檢測RXD來判斷接收過程的開始的。CPU不斷采樣RXD，采樣速率為波特率的16倍。一旦采樣到RXD由1至0的負跳變，16分頻器立刻復位，啟動一次接收，同時接收控制器把1FFH(9個1)寫入移位寄存器(9位)。計數(shù)器復位的目的是使計數(shù)器滿度翻轉的時刻恰好與輸入位的邊沿對準。

計數(shù)器的16個狀態(tài)把每一位的時間分為16份，在第7、8、9狀態(tài)時，位監(jiān)測器對RXD端采樣，這3個狀態(tài)理論上對應于每一位的中央段，若發(fā)送端與接收端的波特率有差異，就會發(fā)生偏移，只要這種差異在允許范圍內(nèi)，就不至于產(chǎn)生錯位或漏碼。在上述3個狀態(tài)下，取得3個采樣值，用3取2的表決方法，即3個采樣值中至少有2個值是一致的，這種一致的值才被接收。如果所接收的第一位不是0，說明它不是一幀數(shù)據(jù)的起始位，接收電路被復位，再重新對RXD進行上述采樣過程。若起始位有效C=0，則被移入輸入移位寄存器，并接收這一幀中的其它位。當數(shù)據(jù)位逐一由右邊移入時，原先裝在移位寄存器內(nèi)的9個1逐位由左邊移出。當起始位0移到最左邊時，就通知接收控制器進行最后一次移位，并把移位寄存器9位內(nèi)容中的8位數(shù)據(jù)并行裝入SBUF(8位)，第9位則置入RB8(SCON.2)位，并將RI置1，向CPU申請中斷。在串行移位方式下接收到一幀數(shù)據(jù)時，裝入SBUF和RB8位以及RI置位的信號，在最后一個移位脈沖并同時滿足以下兩個條件時才會產(chǎn)生中斷：

①RI=0，即上一幀數(shù)據(jù)接收完成后發(fā)出的中斷請求已被響應，SBUF中的數(shù)據(jù)已被取走。

②SM2=0或接收到的停止位為1。

這兩個條件任一個不滿足，所接收的數(shù)據(jù)幀就會丟失，不再恢復。兩者都滿足，停止位進入RB8位，8位數(shù)據(jù)進入SBUF，RI置1。此后，接收控制器又將重新采樣測試RXD出現(xiàn)的負跳變，以接收下一幀數(shù)據(jù)。

(3)方式1用法。串行口方式1適用于點對點的異步通信，若假定通信雙方都使用80C51的串行口，硬件連接如圖7-5所示。圖7-5點對點的異步通信連接要實現(xiàn)雙方的通信還必須編寫雙方的通信程序，編寫程序應遵守雙方的約定。

通信雙方的軟件約定如下：發(fā)送方應知道什么時候發(fā)送消息，消息的內(nèi)容，對方是否收到，對方收到的內(nèi)容是否有誤，要不要重發(fā)，怎樣通知對方發(fā)送結束等。接收方必須知道對方是否發(fā)送了消息，發(fā)送的是什么，收到的信息是否有錯，如果有錯怎樣通知對方，怎樣判斷發(fā)送結束等。

這些約定必須在編程之前確定下來，這種約定叫做“規(guī)程”或“協(xié)議”。發(fā)送和接收方的數(shù)據(jù)幀格式、波特率等必須一致。按這些協(xié)議可以編寫出程序。

3．方式2、方式3的用法

串行口方式2和方式3除了波特率規(guī)定不同之外，其它的性能完全一樣，都是11位的幀格式。方式2的波特率只有fosc/32和fosc/64兩種，而方式3的波特率是可變的，前面已述。

串行口方式2和方式3的發(fā)送和接收時序見圖7-6。圖7-6方式2、方式3的發(fā)送和接收時序方式2、方式3的發(fā)送和接收時序與方式1相比，主要區(qū)別在第9個位數(shù)據(jù)位上。

(1)發(fā)送時序。任何一條“寫入SBUF”指令，都可啟動一次發(fā)送，并把TB8的內(nèi)容裝入發(fā)送寄存器的第9位，使SEND信號有效，發(fā)送開始。在發(fā)送過程中，先自動添加一起始位放入TXD，然后每經(jīng)過一個TX時鐘(由波特率決定)產(chǎn)生一個移位脈沖，并由TXD輸出一個數(shù)據(jù)位。當最后一個數(shù)據(jù)位(附加位)送完后，撤消SEND，并使TI置1，置TXD=1作為停止位，使TXD輸出一個完整的異步通信字符格式。

(2)接收時序。接收部分與方式1類似，在置REN=1之后，硬件自動檢測RXD信號，當檢測RXD由1至0的跳變時，就開始一個接收過程。首先，判斷是否為一個有效的起始位。對RXD的檢測是以波特率的16倍速率采樣，并在每個時鐘周期的中間(第7、8、9計數(shù)狀態(tài))對RXD連續(xù)采樣3次，取兩次相同的值進行判斷。若不是起始位，則此次接收無效，重新檢測RXD；若是有效起始位，就在每一個RX時鐘周期里接收一位數(shù)據(jù)。在9位數(shù)據(jù)收齊后，如果下列兩個條件成立：

①?RI=0；

②?SM2=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1；

則把已收到的數(shù)據(jù)裝入SBUF和RB8，并將RI置1。如果不滿足上述兩個條件，則丟失已收到的一幀信息，不再恢復，也不置位RI。兩者都滿足時，第9位數(shù)據(jù)就進入RB8，8位數(shù)據(jù)進入SBUF。此后，無論哪種情況都將重新檢測RXD的負跳變。

注意：與方式1不同，方式2和方式3中進入RB8的是第9位數(shù)據(jù)，而不是停止位。接收到的停止位的值與SBUF、RB8或RI是無關的。這一特點可用于多處理機通信。

(3)用第9位數(shù)據(jù)作奇偶校驗位。方式2、方式3也可以像方式1一樣用于點對點的異步通信。在數(shù)據(jù)通信中由于傳輸距離較遠，數(shù)據(jù)信號在傳送過程中會產(chǎn)生畸變，從而引起誤碼。為了保證通信質(zhì)量，除了改進硬件之外，通常要在通信軟件上采取糾錯的措施。常用的一種簡單方法就是用“檢查和”作為第9位數(shù)據(jù)，稱奇偶校驗位，將其置入TB8位一同發(fā)送。在接收端可以用第9位數(shù)據(jù)來核對接收的數(shù)據(jù)是否正確。例如，發(fā)送端發(fā)送一個數(shù)據(jù)字節(jié)及其奇偶校驗位的程序段如下：

SCON=0x80; //選通方式2

TB8=PSW^0; //奇偶標志位置入TB8中

SBUF=DATA; //啟動一次發(fā)送，數(shù)據(jù)連同奇偶校驗位一同被發(fā)送

while(TI==0); //等待發(fā)送完成

…

方式2、方式3的發(fā)送過程中，將數(shù)據(jù)和附加的TB8中的奇偶校驗位一同發(fā)送出去。因此，作為接收的一方應設法取出該奇偶校驗位進行核對，相應的接收程序段如下：接收到的字符從SBUF轉移到A中時會產(chǎn)生接收端的奇偶校驗值，而保存在RB8中的值為發(fā)送端的奇偶校驗值，兩個奇偶校驗值應相等，否則接收字符有錯。發(fā)現(xiàn)錯誤要及時通知對方重發(fā)。

(4)用第9位數(shù)據(jù)作多機通信的聯(lián)絡位。計算機與計算機的通信不僅限于點對點的通信，還會出現(xiàn)一機對多機或多機之間的通信，構成計算機網(wǎng)絡。按網(wǎng)絡的拓撲結構，計算機網(wǎng)絡通?？蓜澐譃槿缦聨追N：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、環(huán)型網(wǎng)、總線型網(wǎng)等。有一種比較特殊的總線型網(wǎng)，即主從式或叫廣播式網(wǎng)絡。所謂主從式，即多臺計算機中有一臺是主機，其余的為從機(如圖7-7所示)，從機要服從主機的調(diào)度和支配。80C51單片機的串行口方式2、方式3就適合于這種主從式的通信結構。圖7-7主從式多機通信網(wǎng)的結構形式第9位數(shù)據(jù)可以用于多機通信的關鍵在于巧妙地利用了SM2和接收到的第9位附加數(shù)據(jù)(接收后放在RB8中)的配合。例如，通信各方約定如下：

①主機向從機發(fā)送地址信息，其第9位數(shù)據(jù)必須為1，而向從機發(fā)送數(shù)據(jù)信息包括命令時，其第9位數(shù)據(jù)規(guī)定為0。

②從機在建立與主機通信之前，隨時處于對通信線路的監(jiān)聽狀態(tài)。在監(jiān)聽狀態(tài)下必須使SM2=1，此時只能收到主機發(fā)出的地址信息(第9位為1)，非地址信息被丟棄。③從機接收到地址后應進行識別，是否主機呼叫本站，如果地址符合，確認呼叫本站，此時從機解除監(jiān)聽狀態(tài)，使SM2=0，同時把本站地址發(fā)回主機作為應答，只有這樣才能收到主機發(fā)送的有效數(shù)據(jù)。其它從機由于地址不符，仍處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)保持SM2=1，所以無法接收主機的數(shù)據(jù)。

④主機收到從機的應答信號，比較收與發(fā)的地址是否相符，如果不符，則發(fā)出復位信號(例如發(fā)任一數(shù)據(jù)，但TB8=1)；如果地址相符，則清除TB8，正式開始發(fā)送數(shù)據(jù)和命令。⑤從機收到復位命令后再次回到監(jiān)聽狀態(tài)，再置SM2=1，否則正式開始發(fā)送數(shù)據(jù)和命令。

下面舉例說明按上述約定編寫主機和1號從機的聯(lián)絡過程的程序片斷，設主、從機均采用方式2工作(方式3用法與此類似，只是波特率設置不同)。

主機呼叫1號從機的聯(lián)絡程序：

7.3I2C總線及應用

7.3.1I2C總線

總線(InterIntegratedCircuitBUS)是Plilips公司推出的串行擴展總線，為二線制，總線上擴展的外圍器件及外設接口通過總線尋址。圖7-8為I2C總線外圍擴展示意。圖7-8I2C總線外圍擴展

I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構成。SDA/SCL總線上掛接單片機(MCU)、外圍器件(如I/O口、日歷時鐘、ADC、DAC、存儲器等)和外設接口(如鍵盤、顯示器、打印機等)。所有掛接在I2C總線上的器件和接口電路都應具有I2C總線接口，而且所有的SDA/SCL同名端相連。

I2C總線接口電路均為漏極開路，故總線必須有上拉電阻。

所有掛接到總線上的器件及接口都通過總線尋址，故I2C總線具有最簡單的電路擴展方式。

I2C總線的驅動能力為400?pF，通過驅動擴展可達4000?pF，原規(guī)范中傳輸速率為100?kb/s，新規(guī)范的傳輸速率可達400kb/s。

1．80C51UART的串行擴展接口

80C51的UART有4種工作方式，其中方式0為移位寄存器工作方式，采用最為常見的移位寄存器工作方式，能方便地擴展串行數(shù)據(jù)傳送接口。目前有許多外圍器件選擇了移位寄存器的串行擴展接口，圖7-9為80C51UART的外圍擴展示意。

80C51的UART移位寄存器方式(方式0)用于串行同步數(shù)據(jù)傳送，TXD端為同步脈沖輸出端，RXD為數(shù)據(jù)串行輸出/輸入端。擴展外圍器件時，TXD端與外圍器件串行口的時鐘端相連，RXD則與數(shù)據(jù)端相連。圖7-980C51UART的外圍擴展示意

2．I2C總線的串行擴展技術

I2C總線具有十分完善的總線協(xié)議，可構成多主機系統(tǒng)；在協(xié)議軟件支持下，可自動處理總線上任何可能的運行狀態(tài)。本節(jié)將主要介紹I2C總線的虛擬技術。在單片機應用系統(tǒng)中，這種虛擬技術應用十分廣泛。

1)?I2C總線的串行外圍擴展示意

圖7-10為總線外圍擴展示意。圖中只表示出單片機應用系統(tǒng)中常用的總線外圍通用器件、外圍設備模塊、接口以及其它單片機節(jié)點。最常使用的通用外圍器件有SRAM、EEPROM、ADC/DAC、RTC、I/O口、DTMF等。圖7-10I2C總線外圍擴展示意外圍設備模塊有由LED驅動控制器構成的LED顯示器，由各種LCD驅動控制器構成的段式、圖形點陣、字符點陣液晶顯示器等。

具有I2C總線I/O口的器件可構成許多通用接口，如鍵盤、碼盤、打印機接口和LCD顯示器接口等。

I2C總線可構成多主機系統(tǒng)，故I2C總線上可掛接一些帶I2C總線接口的單片機，因為帶I2C接口的單片機中，有支持多主機功能的SFR。除了圖7-10中的通用外圍器件外，Philips公司還提供了許多帶I2C總線接口的專用外圍器件，在通信、視頻、音響家電系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。圖7-1180C51I2C總線接口的電氣結構

I2C總線上所有的外圍器件都有規(guī)范的器件地址。器件地址由7位組成，它和1位方向位構成了總線器件的尋址字節(jié)SLA。尋址字節(jié)格式如下：

(1)器件地址(DA3、DA2、DA1、DA0)：總線外圍接口器件固有的地址編碼，器件出廠時就已給定。例如，I2C總線EEPROMAT24C××的器件地址為1010，4位LED驅動器SAA1064的器件地址為0111。表7-1常用I2C接口通用器件的種類、型號及尋址字節(jié)7.3.2EEPROM的讀寫應用練習

1．硬件電路設計

(1)器件選擇。帶I2C總線接口的EEPROM有許多型號系列，其中AT24C××系列使用十分普遍，有AT24C01/02/04/08/16等，其容量分別為128×8/256×8/512×8/1024×8/2048×8bit。圖7-12(b)是一個AT24C02的EEPROM擴展電路，圖7-12(a)是其封裝引腳示意。圖7-12AT24C02及其外圍擴展電路

(2)電路設計。AT24C02的TEST腳為測試端，系統(tǒng)中可接地處理。A2、A1、A0可任接，因此I2C總線上可連接多達8片AT24C02，總容量為8×256×8=2048×8?bit。由于片內(nèi)子地址采用8位地址指針尋址，超過256×8?地址空間，要占用引腳地址，如果使用AT24C04，則A0作為子地址軟件尋址位；使用AT24C08、AT24C16時，A1、A2也分別作為子地址的軟件尋址位，這時相應的外部A0、A1、A2無效。

(3)節(jié)點地址。AT24C××的器件地址是1010，A2、A1、A0為引腳地址。按照圖7-12(b)中的連接方式引腳地址為000，因此AT24C02在系統(tǒng)中的尋址字節(jié)SLAW=A0H，SLAR=A1H。

2．AT24C02的結構與應用原理

AT24C02為256×8?bit的EEPROM，圖7-13為其內(nèi)部結構示意，由輸入緩沖器和EEPROM陣列組成。由于EEPROM的半導體工藝特性，寫入時間為5～10?ms，如果從外部直接寫入EEPROM，每寫一個字節(jié)都要等候5～10?ms，成批數(shù)據(jù)寫入時等候時間很長。在設置SRAM性質(zhì)的輸入緩沖器時，對EEPROM的寫入變成對SRAM緩沖器的裝載，裝載完后啟動一個自動寫入邏輯將緩沖器中的全部數(shù)據(jù)一次寫入EEPROM陣列中。對數(shù)據(jù)緩沖器的輸入稱為頁寫，緩沖器的容量稱為頁寫字節(jié)數(shù)。AT24C02的頁寫字節(jié)數(shù)為8，占用最低3位地址，只要從最低3位零地址開始寫入，不超過頁寫字節(jié)數(shù)時，對EEPROM器件的寫入操作與對SRAM的操作相同。若超過頁寫字節(jié)數(shù)，應等候5～10?ms后再啟動一次寫操作。

由于緩沖區(qū)容量較小，只占據(jù)最低3位，且不具溢出進位功能，因而在從非零地址寫入8個字節(jié)數(shù)，或從零地址寫入字節(jié)數(shù)超過8個字節(jié)時，會形成地址翻卷，導致寫入出錯。圖7-13AT24C02EEPROM內(nèi)部結構示意

3．AT24C××的數(shù)據(jù)操作格式

在I2C總線中，對AT24C02內(nèi)部存儲單元讀寫時，除了要尋址該器件的節(jié)點地址外，還須指定存儲器讀寫的子地址(SUBADR)。按照AT24C02的器件手冊，讀寫N個字節(jié)的數(shù)據(jù)操作格式如下：

寫N個字節(jié)的數(shù)據(jù)操作格式

讀N個字節(jié)的數(shù)據(jù)操作格式在讀操作中，除了發(fā)送尋址字節(jié)外，還要發(fā)送子地址SUBADR。因此，在讀N個字節(jié)操作前，要進行一個字節(jié)(SUBADR)的寫操作，然后重新啟動讀操作。

例7-2

在圖7-12(b)的擴展電路中，寫入一個字節(jié)到AT24C02中。

按圖7-12(b)的擴展連接，AT24C02的尋址字節(jié)(寫)為A0H，子地址SUBADR為50H。

程序清單如下：

7.4串行口應用舉例

本節(jié)介紹串行口作I/O擴展口及在一般異步通信和多機通信中應用的幾個實例。

7.4.1用串行口擴展并行I/O

用串行口工作于方式0擴展并行I/O的方法在上一節(jié)中已述，此處將給出原理圖和簡單的控制程序。

1．用并行輸入8位移位寄存器74HC165擴展輸入口

圖7-14是利用3根口線擴展16位輸入口線的實用電路。從理論上講，利用這種方法可以擴展更多的輸入口，但擴展的輸入口越多，口的操作速度會越低。圖7-14利用串行口擴展輸入口

2．用8位并行輸出串行移位寄存器74HC164擴展輸出口

圖7-15是利用74HC164擴展16位輸出口線的實用電路。由于74HC164無并行輸出控制端，在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，故在某些應用場合，應在74HC164與輸出裝置之間加上輸出可控制的緩沖器級(74HC244等)，以便串行輸入完成后再控制輸出。圖7-15利用串行口擴展輸出口圖7-15中的輸出裝置是兩位共陽極七段LED顯示器，采用靜態(tài)顯示方式。由于74HC164在低電平輸出時，允許通過的電流可達8?mA，故不需要再加驅動電路。與動態(tài)掃描顯示比較起來，靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點是CPU不必頻繁地為顯示服務，軟件設計比較簡單，很容易做到顯示不閃爍。

編程把存放在dat_tab中的數(shù)據(jù)5和8取出，由串行口輸出顯示，程序如下：7.4.2用串行口作異步通信接口

1．用串行口發(fā)送帶奇偶校驗位的數(shù)據(jù)塊

例7-4編程把存放在data中的32個ASCII碼數(shù)據(jù)在最高位上加奇偶校驗后，由串行口發(fā)送，采用8位數(shù)據(jù)異步通信，串行口采用方式1發(fā)送，用T1做波特率發(fā)生器，設波特率為1200波特/秒，fosc=11.0592MHz。

解用定時器T1模式2做波特率發(fā)生器，設波特率不增倍(SMOD=0)，其計數(shù)初值Ｘ為

即TH1=TL1=0E8H。程序如下：7.4.3用串行口作多機通信接口

80C51串行口的方式2和方式3有一個專門的應用領域，即多機通信。這一功能使它可以方便地應用于集散式分布系統(tǒng)中。多機通信的連接方法見圖7-7。這里仍以主從式的多機通信結構為例說明多機通信的應用。對于不同的應用場合，人們制定了各種通信協(xié)議，本節(jié)采用如下幾條簡單的協(xié)議：

(1)系統(tǒng)中允許接有255臺從機，它們的地址分別為00H～FFH。

(2)地址FFH是對所有從機都起作用的一條控制命令：命令各個從機恢復SM2=1的狀態(tài)。

(3)主機發(fā)送的控制命令代碼為：

00H——要求從機接收數(shù)據(jù)塊；

01H——要求從機發(fā)送數(shù)據(jù)塊；

其它——非法命令。

(4)數(shù)據(jù)塊長度：16字節(jié)。

(5)從機狀態(tài)字格式如下：

其中：若ERR=1，表示從機接收到非法指令；若TRDY=1，表示從機發(fā)送準備就緒。下面給出串行口通信程序，主程序部分是以子程序的方式給出的，要進行串行通信時，可以直接調(diào)用這個子程序。主機在接收或發(fā)送完一個數(shù)據(jù)塊后可返回主程序，完成其它任務。從機部分以串行口中斷服務程序的方式給出，若從機未做好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的準備，就從中斷程序中返回，在主程序中做好準備。故主機在這種情況下不能簡單地等待從機準備就緒，而要重新與主機聯(lián)絡，使從機再次進入串行口中斷。系統(tǒng)可以采用T1作為波特率發(fā)生器，也可采用固定的波特率。主機和從機中對T1初始化的程序從略。

下面設計一個1臺主機、255臺從機的多機通信系統(tǒng)，程序如下：上述簡化程序描述了多級串行通信中從機的基本工作過程，實際應用系統(tǒng)中還應考慮更多的因素，如命令的種類可以更多些；若波特率較低且CPU還要完成其它實時任務，發(fā)送和接收過程還可能要采用中斷控制方式等。 7.5RS-232C與USB簡介

7.5.1RS-232C簡介

計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通信和并行通信兩種方式。由于串行通信方式具有使用線路少、成本低等優(yōu)點，特別是在遠程傳輸時可避免多條線路特性的不一致，因而被廣泛采用。在串行通信時，要求通信雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通信。RS-232C接口(又稱EIARS-232C)是目前最常用的一種串行通信接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通信的標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設備(DCE)之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術標準”，該標準規(guī)定采用一個25個引腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。

1．接口信號

EIARS-232C是異步串行通信中應用最廣泛的標準總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定，適用于數(shù)據(jù)終端設備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設備(DCE)之間的接口。其中DTE主要包括計算機和各種終端機，而DCE的典型代表是調(diào)制解調(diào)器(MODEM)。

RS-232C的機械指標規(guī)定：RS-232C接口通向外部的連接器(插針插座)是一種“D”型25針插頭。在微機通信中，通常被使用的RS-232C接口信號只有9個引腳，見表7-2。表7-2微機通信中常用的RS-232C接口信號圖7-16給出了RS-232C的“D”型9針插頭引腳定義圖。RS-232C的“D”型25針插頭引腳定義如圖7-17所示。圖7-16“D”型9針插頭引腳定義圖7-17“D”型25針插頭引腳定義

2．電氣特性

RS-232C采用負邏輯，即邏輯“1”：－3～－15?V；邏輯“0”：+3～+15?V。

表7-3列出了RS-232C接口的主要電氣性能。RS-232C標準信號傳輸?shù)淖畲箅娎|長度為30?m；異步方式速率最高為115.2?kb/s，同步方式最高為128?kb/s。表7-3RS-232C電氣特性表

3．電平轉換

由于TTL電平和RS-232C電平互不兼容，所以兩者接口時，必須進行電平轉換。RS-232C與TTL的電平轉換最常用的芯片是傳輸線驅動器MC1488和傳輸線接收器MC1489，其內(nèi)部結構與管腳配置如圖7-18所示。其作用除了電平轉換外，還實現(xiàn)正負邏輯電平的轉換。圖7-18RS-232C電平轉換芯片

MCl488內(nèi)部有三個與非門和一個反相器，供電電壓為±15?V或±12?V，輸入為TTL電平，輸出為RS-232C電平。

MCl489內(nèi)部有4個反相器，輸入為RS-232C電平，輸出為TTL電平，供電電壓為+5?V。MC1489中每一個反相器都有一個控制端，高電平有效，可作為RS-232C操作的控制端。在控制端可接一濾波電容。TTL與RS-232C的電平接口電路如圖7-19所示。圖7-19RS-232C接口電平轉換電路7.5.2USB接口簡介

1．概述

USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它不是一種新的總線標準，而是應用在PC領域的新型接口技術。早在1995年，就已經(jīng)有PC機帶有USB接口了，但由于缺乏軟件及硬件設備的支