《單片機原理、接口與C51應用程序設計》課件第11章

第11章單片機與I2C總線芯片的接口技術11.1I2C總線的基本概念11.2虛擬I2C總線軟件包11.3I2C總線E2PROM芯片AT24C××11.4I2C總線I/O擴展芯片PCF857411.5I2C總線A/D、D/A轉換芯片PCF859111.6I2C總線實時時鐘/日歷芯片PCF856311.7I2C總線數(shù)字溫度傳感器芯片LM75A 11.1I2C總線的基本概念

1.?I2C總線概述

I2C(Inter-IntegratedCircuit)總線是由PHILIPS公司開發(fā)的2線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備，是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有口線少，控制方式簡單，器件封裝小，通信速率高等優(yōu)點，被列入世界性的工業(yè)標準?，F(xiàn)在有許多外圍器件與微控制器的接口采用I2C串行總線。

I2C總線有嚴格的規(guī)范，如接口的電氣特性、信號時序、總線狀態(tài)設置和狀態(tài)處理等。I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸模式有基本模式、快速模式和高速模式，傳輸速度分別為100kb/s、

400kb/s和3.4Mb/s。I2C總線的驅動能力受總線電容限制，不加驅動時的驅動能力為400pF。

I2C總線協(xié)議如下：

(1)只有在總線非忙時才被允許進行數(shù)據(jù)傳送。

(2)在數(shù)據(jù)傳送時，若時鐘線為高電平，則數(shù)據(jù)線必須為固定狀態(tài)，不允許有跳變。因為時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被當作總線的啟動或停止條件。

2.?I2C總線的電氣特性與結構

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構成的串行總線,可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。采用I2C總線的器件均并聯(lián)在總線上，每個器件內部都有I2C接口電路，用于實現(xiàn)與I2C總線的連接，連接方式如圖11.1所示。圖11.1I2C器件與I2C總線的連接

3.?I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸

在傳輸數(shù)據(jù)開始前，主控器件發(fā)送起始位，通知從接收器件作好接收準備；在傳輸數(shù)據(jù)結束時，主控器件發(fā)送停止位，通知從接收器件停止接收。

1)?I2C總線數(shù)據(jù)傳送的起始和停止標志

當SCL處于高電平，SDA從高電平向低電平跳變時，I2C總線數(shù)據(jù)傳送開始，總線起始后便處于忙的狀態(tài)；當SCL處于高電平，SDA從低電平向高電平跳變時I2C總線數(shù)據(jù)傳送停止，總線停止后處于空閑狀態(tài)。在起始信號和停止信號之間是尋址信息和數(shù)據(jù)信息。I2C總線每傳送一次數(shù)據(jù)，都由主器件發(fā)送起始信號開始，發(fā)送停止信號結束，時序如圖11.2所示。圖11.2I2C總線的開始和結束時序

2)?I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸格式

I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸必須遵循總線規(guī)范。主CPU發(fā)出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1位方向位組成。方向位表明主CPU與從器件之間的數(shù)據(jù)傳送方向，該位為“0”時表明CPU對從器件進行寫操作，為“1”時是讀操作。尋址字節(jié)后是按指定地址讀、寫操作的數(shù)據(jù)字節(jié)與應答位。主CPU發(fā)出尋址信號后，地址與自己相符的從器件便會產(chǎn)生一個應答信號。數(shù)據(jù)字節(jié)的后面也跟隨一個應答信號，應答信號在第9個時鐘位上出現(xiàn)。當從器件輸出低電平時為應答信號，輸出高電平時為非應答信號，如圖11.3所示。圖11.3I2C總線的應答信號

SDA線上的數(shù)據(jù)在時鐘信號SCL為高電平時必須穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線上的高低狀態(tài)只有當SCL線的時鐘信號為低電平時才可變換，如圖11.4所示。圖11.4I2C總線的有效數(shù)據(jù)位

3)?I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸時序

I2C總線在起始位后的首字節(jié)決定哪個被控器被主控器選擇。當主控器輸出一個地址時，系統(tǒng)中的每一器件都將起始位后的前七位地址和自己的地址進行比較，如果相同，則該器件認為自己被主控器尋址。該器件是作為被控接收器還是被控發(fā)送器則取決于第8位(R/位)。I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸時序如圖11.5所示。圖11.5I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸時序

4.器件的尋址字節(jié)

在I2C總線標準中，尋址字節(jié)由7位地址和1位方向位組成，從器件的地址完全由引腳電平和器件類型決定，即上述的器件地址(高4位D7～D4)和引腳地址(低3位D3～D1)。I2C總線中的外圍芯片的器件地址由各廠家按統(tǒng)一的標準制定。表11.1為常用I2C總線芯片的器件地址和引腳地址。表11.1常用I2C總線芯片的器件地址和引腳地址 11.2虛擬I2C總線軟件包

11.2.1虛擬I2C總線匯編軟件包

虛擬I2C總線匯編軟件包是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司的研究人員提出的，用在單主I2C總線上，硬件接口是SDA、SCL，使用MCU的I/O口來模擬SDA、SCL總線。設計有/無子地址的子程序是根據(jù)I2C器件的特點進行的，目的在于將地址和數(shù)據(jù)徹底分開。軟件包的函數(shù)如下：

IRDBYTE(無子地址)讀單字節(jié)數(shù)據(jù)(現(xiàn)行地址讀)

IWRBYTE(無子地址)寫單字節(jié)數(shù)據(jù)(現(xiàn)行地址寫)

IRDNBYTE(有子地址)讀N字節(jié)數(shù)據(jù)

IWRNBYTE(有子地址)寫N字節(jié)數(shù)據(jù)

(1)現(xiàn)行地址讀/寫專指無子地址的器件，不給定子地址的讀/寫操作。

(2)平臺占用內部資源：R0，R1，R2，R3，ACC，Cy。

(3)使用前必須定義變量：SLA器件從地址，SUBA器件子地址，NUMBYTE讀/寫的字節(jié)數(shù)，位變量ACK。

(4)使用前必須定義常量：SDA、SCL總線位，MTD發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址，MRD接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首址。

(5)子程序出口參數(shù)ACK為0時表示從器件無應答。

VI2C_ASM.ASM軟件包清單如下：11.2.2虛擬I2C總線C51程序軟件包

虛擬I2C總線C51程序軟件包用在單主方式下的I2C總線上，硬件接口是SDA、SCL，使用MCU的I/O口作SDA、SCL。軟件包函數(shù)如下：

(1)?bitISendStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)(有子地址)讀N字節(jié)數(shù)據(jù)；

(2)?bitIRcvStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)(有子地址)寫N字節(jié)數(shù)據(jù)；

說明：

(1)每一個函數(shù)都有返回值，當返回值為1時表示操作成功，否則表示操作失敗。

(2)?sla為器件從地址，suba為器件子地址，*s為數(shù)據(jù)接收/發(fā)送區(qū)指針，no為接收/發(fā)送字節(jié)數(shù)。

(3)有子地址器件，不給定子地址的讀/寫操作。

(4)設計有/無子地址子程序是根據(jù)I2C器件的特點，把地址和數(shù)據(jù)徹底分開。

(5)使用時只要把I2C.c復制到用戶程序相應的目錄，然后在用戶主程序開頭加入#include<I2C.c>即可使用上面的函數(shù)。

<I2C.c>軟件包中有兩點需要注意：

(1)?I2C總線SDA、SCL定義為MCU的P3.4、P3.5。

(2)?MCU的標準時鐘fosc小于等于12MHz(時鐘周期為標準80C51模式，即12Clock)。

11.3I2C總線E2PROM芯片AT24C××

1.串行E2PROM芯片AT24C××系列概述

AT24C××系列是美國Atmel公司生產(chǎn)的低功耗CMOS串行E2PROM，支持I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。該系列包含AT24C01、AT24C02、AT24C04、AT24C08、AT24C16、AT24C32、AT24C64、AT24C128、AT24C256和AT24C512等10種芯片，容量分別為1、2、4、8、16、32、64、128、256和512kb，具有工作電壓寬(1.8V～6V)、擦寫次數(shù)多(大于10000次)、寫入速度快(小于10ms)等特點。它們在系統(tǒng)中始終作為從器件。表11.2給出了美國Atmel公司生產(chǎn)的I2C總線AT24C××系列串行E2PROM。表11.2AT24C××系列

2.?AT24C××的特點和引腳功能

AT24C××系列的工作電流約為3mA，主要特性如下：

(1)具有頁寫功能，AT24C01的頁緩沖區(qū)為4B，AT24C02的頁緩沖區(qū)為8B等。

(2)可擦寫次數(shù)大于100000次。

(3)數(shù)據(jù)保存周期為100年。

(4)采用8腳DIP或SOIC封裝。

AT24C01的引腳排列如圖11.6所示。圖11.6AT24C01的引腳排列

3.?AT24C××的尋址

AT24C××系列E2PROM操作時有兩種尋址方式：芯片尋址和片內子地址尋址。

4.?AT24C××的操作時序

AT24C××作為器件的從節(jié)點，當主器件以主發(fā)送方式對其進行操作時，即實現(xiàn)了AT24C××的輸入，當主器件以主接收方式對AT24C××進行操作時，即實現(xiàn)了AT24C××的輸出，而不需要專門的寫信號控制線。其信號時序如圖11.7所示。圖11.7AT24C××的操作時序

5.?AT24C××與單片機的接口

AT24C01與MCS-51單片機的接口電路如圖11.8所示。單片機的P3.4端與I2C器件SDA端連接，P3.5端與I2C器件SCL端連接，由于SDA和SCL引腳都是開漏結構，所以要接上拉電阻，三個地址端A2、A1、A0接地，片選WP接單片機的P1.0口。

6．軟件設計

軟件設計相對簡單，首先要把I2C.c復制到用戶程序相應的目錄，然后在用戶主程序開頭加入#include<I2C.c>即可使用內部的函數(shù)。對E2PROM的讀/寫操作分別調用IRcvStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)和ISendStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)函數(shù)。圖11.8AT24C××與單片機的接口電路 11.4I2C總線I/O擴展芯片PCF8574

1.概述

PCF8574是PHILIPS公司推出的帶I2C總線接口的CMOS型I/O擴展芯片，包含一個8位準雙向口和一個I2C總線接口。PCF8574電流消耗很低，且I/O口輸出時具有大電流驅動能力，可直接驅動LED。它還帶有一條中斷引腳，可與MCU的中斷邏輯相連。通過發(fā)送中斷信號，遠端I/O口不必經(jīng)過I2C總線通信就可通知MCU是否有數(shù)據(jù)從端口輸入。PCF8574和PCF8574A的唯一區(qū)別在于器件地址不同。其特性為：操作電壓為2.5V～6.0V，開漏中斷輸出，I/O口輸出鎖存，通過3個硬件地址引腳可尋址8個器件(PCF8574A可多達16個)。

2.引腳定義

PCF8574采用DIP16、SO16或SSOP20形式封裝，其引腳如圖11.9所示。圖11.9PCF8574的引腳

3.尋址說明

PCF8574的每個I/O口都可單獨用作輸入或輸出。PCF8574和PCF8574A的從地址不同，分別為0100和0111，如圖11.10所示。圖11.10PCF8574和PCF8574A的從地址輸入通過讀模式將數(shù)據(jù)傳送到MCU，如圖11.11所示。圖11.11讀模式數(shù)據(jù)協(xié)議輸出通過寫模式將數(shù)據(jù)發(fā)送到I/O端口，如圖11.12所示。圖11.12寫模式數(shù)據(jù)協(xié)議

4.?PCF8574與單片機的連接

PCF8574與單片機的接口如圖11.13所示。圖11.13PCF8574與單片機的接口

5．軟件設計

軟件設計首先要把I2C軟件包復制到用戶程序相應的目錄下，然后在用戶主程序開頭加入#include<I2C.c>即可使用內部的函數(shù)。輸入、輸出操作只需調用IRcvStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)和ISendStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)函數(shù)就可以了。11.5I2C總線A/D、D/A轉換芯片PCF8591

1.概述

PCF8591是一低功耗8位COMS型A/D、D/A轉換芯片，單電源供電，正常工作電壓范圍為2.5V～6V，典型值為5V。它具有4路模擬量輸入通道、1路模擬量輸出通道和1個I2C總線接口，通過I2C總線完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出。該器件I2C從地址的低三位由芯片的A0、A1和A2三個地址引腳決定，所以在不增加任何硬件的情況下同一條I2C總線最多可以連接8個同類型的器件。該器件具有多路模擬量輸入、片上跟蹤保持、8位逐次逼近A/D轉換和8位帶有一路模擬量輸出的乘法D/A轉換等功能，4路模擬量輸入可編程為單端輸入或差分輸入；可配置轉換通道號自動增加功能；模擬電壓范圍為Vss～Vdd；A/D與D/A的最大轉換速率由I2C總線的最大傳輸速率決定。

2.功能框圖

PCF8591的內部功能框圖如圖11.14所示。圖11.14PCF8591的內部功能框圖

3.引腳功能

圖11.15PCF8591的引腳排列PCF8591采用DIP16和SO16兩種封裝，其引腳排列如圖11.15所示。圖11.15PCF8591的引腳排列圖11.16PCF8591的從地址

5.控制字

PCF8591的控制轉換字存放在控制寄存器中，用于實現(xiàn)器件的各種功能，總線操作時作為主發(fā)送的第二個字節(jié)，器件接受該字節(jié)后將它存放在控制寄存器中。PCF8591的控制字格式如圖11.17所示。圖11.17PCF8591的控制字格式

D1、D0：A/D通道編號，模擬量輸入通道選擇位，可選擇當前使用的模擬量輸入通道號。D1D0為00時選擇通道0，為01時選擇通道1，為10時選擇通道2，為11時選擇通道3。

D2：輸入通道自動增量選擇位。D2?=?1時，A/D轉換將按通道0～3依次自動轉換，即每次A/D轉換結束都自動選擇下一通道。

D3、D7：必須為0。

D4、D5：模擬量輸入方式選擇位。D4、D5取不同的值，可選四種不同的輸入方式，如表11.3所示。

D6：模擬輸出允許。D6?=?1，模擬量輸出有效。表11.3PCF8591模擬信號輸入方式

4種模擬量輸入方式如圖11.18所示。圖11.18PCF8591的模擬量輸入方式

6.?D/A轉換

D/A轉換器是PCF8591的關鍵單元，除作為D/A轉換使用外，還用于A/D轉換。D/A轉換器的工作是使用I2C總線的寫入方式完成的，其數(shù)據(jù)格式如圖11.19所示。圖11.19D/A轉換數(shù)據(jù)格式邏輯操作波形時序圖如圖11.20所示。圖11.20D/A轉換時序

7.?A/D轉換

PCF8591的A/D轉換為逐次逼近型，在A/D轉換周期中借用D/A轉換及高增益比較器對PCF8591進行寫/讀操作后便立即啟動A/D轉換，并讀出A/D轉換結果。在每個應答信號的后沿觸發(fā)A/D轉換周期，采樣模擬電壓并讀出前一次轉換后的結果。A/D轉換中，一旦A/D采樣周期被觸發(fā)，所選擇通道的采樣電壓便保存在采樣保持電路中，并轉換成8位二進制碼(單端輸入)或二進制補碼(差分輸入)后存放在A/D數(shù)據(jù)寄存器中等待器件讀出。如果控制字節(jié)中自動增量選擇位置1，則一次A/D轉換完畢后自動選擇下一通道。讀周期中讀出的第一個字節(jié)為前一個周期的轉換結果。上電復位后讀出的第一字節(jié)為80H。PCF8591的A/D轉換亦使用的是I2C總線的讀方式操作完成的。其數(shù)據(jù)操作格式如圖11.21所示。圖11.21A/D轉換數(shù)據(jù)格式邏輯操作波形時序圖如圖11.22所示。圖11.22A/D轉換時序

8.?PCF8591與單片機的接口

PCF8591與MCS-51單片機的接口電路如圖11.23所示。圖11.23PCF8591與MCS-51單片機的接口電路圖11.24PCF8591D/A轉換流程

A/D轉換時，首先將字節(jié)地址選擇字寫入PCF8591中，與D/A轉換設置相同，為0x90；其次寫入轉換控制字，如果轉換時只對A1N0通道進行采樣，則轉換控制字為0x00；接下來再寫入一個地址選擇字，此時的地址選擇字中的D0(R/)應當設置成1(讀)，所以此時的地址選擇字為0x91。A/D轉換每次輸出的是上一次轉換后的結果，如果需要讀出當前的轉換數(shù)據(jù)，則每次需要讀取兩次轉換結果，取第二次讀出的數(shù)據(jù)。A/D轉換的軟件流程如圖11.25所示。圖11.25A/D轉換的軟件流程11.6I2C總線實時時鐘/日歷芯片PCF8563

PCF8563是PHILIPS公司推出的具有I2C總線接口功能的低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片。該芯片的最大總線速度為400kb/s。PCF8563具有多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能，能完成各種復雜的定時服務，甚至可為單片機提供看門狗功能。內部時鐘電路、內部振蕩電路、內部低電壓檢測電路以及兩線制I2C總線通信方式不但使外圍電路極其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性，同時每次讀/寫數(shù)據(jù)后，內嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。因而PCF8563是一款性價比極高的時鐘芯片，已被廣泛用于電表、水表、氣表、電話、傳真機以及便攜式儀器。其主要技術指標如下：

(1)內含復位電路、振蕩器電容和掉電檢測電路。

(2)具有400kHz的I2C總線(Vdd?=?1.8V～5.5V)，其從地址讀時為0A3H，寫時為0A2H。

(3)具有寬的電壓范圍，為1.0V～5.5V，復位電壓標準值為0.9V。

(4)具有超低功耗，典型值為0.25μA(Vdd?=?3.0V，Tamb?=?25℃)。

(5)可編程時鐘輸出頻率為32.768kHz、1024Hz、32Hz、1Hz。

(6)有四種報警功能和定時器功能。

1.芯片引腳定義及功能

PCF8563的引腳如圖11.26所示。圖11.26PCF8563的引腳

2.內部寄存器

PCF8563有16個位寄存器、1個可自動增量的地址寄存器、1個內置的32?768Hz振蕩器、1個分頻器、1個可編程時鐘輸出、1個定時器、1個報警器、1個掉電檢測器和1個400kHz的I2C總線接口。所有16個寄存器設計成為可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。00H、01H為控制/狀態(tài)寄存器；02H、08H為時鐘計數(shù)器(秒至年計數(shù)器)；09H～0CH為報警寄存器；0DH為控制CLKOUT引腳的輸出頻率的時鐘輸出寄存器；0EH和0FH分別用于定時器控制寄存器和定時器倒計數(shù)數(shù)值寄存器。秒、分鐘、小時、日、月、年、分鐘報警、小時報警、日報警寄存器編碼格式為BCD。

1)二進制格式寄存器

PCF8563的內部二進制格式寄存器如表11.4所示。表11.4PCF8563的內部寄存器控制/狀態(tài)寄存器1的D6、D4、D2、D1、D0缺省值置0，其余各位的功能如表11.5所示。表11.5控制/狀態(tài)寄存器1控制/狀態(tài)寄存器2的D7、D6、D5缺省值置0，其余各位的功能如表11.6所示。表11.6控制/狀態(tài)寄存器2

AF和TF值的功能如表11.7所示。表11.7AF和TF值的功能時鐘輸出寄存器各位的描述如表11.9所示。表11.9時鐘輸出寄存器定時器控制寄存器是一個8位的倒計數(shù)定時器，它由位TE決定是否有效，定時器的時鐘也可以由定時器控制寄存器選擇，其它定時器功能(如中斷產(chǎn)生)由控制/狀態(tài)寄存器2控制。為了能精確讀到倒計數(shù)的數(shù)值，I2C總線時鐘SCL的頻率應至少為所選定時器時鐘頻率的兩倍。定時器控制寄存器各位的功能如表11.10所示。表11.10定時器控制寄存器

2)?BCD格式寄存器

PCF8563的內部BCD格式寄存器如表11.11所示。表11.11PCF8563的內部BCD格式寄存器

3.?PCF8563與單片機的接口

PCF8563與單片機的接口電路如圖11.27所示。圖11.27PCF8563與單片機的接口電路

4.軟件設計

按I2C總線協(xié)議規(guī)約，PCF8563有唯一的器件地址A2H,進行軟件設計時首先要把I2C軟件包復制到用戶程序相應的目錄下，然后在用戶主程序開頭加入#include<I2C.c>即可使用內部的函數(shù)。對PCF8563的讀/寫操作只需調用IRcvStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)和ISendStr(ucharsla，ucharsuba，uchar*s，ucharno)函數(shù)就可以了。軟件流程如圖11.28所示。圖11.28PCF8563接口程序流程11.7I2C總線數(shù)字溫度傳感器芯片LM75A

1.芯片引腳定義及說明

LM75A的引腳如圖11.29所示。圖11.29LM75A的引腳圖

2.?LM75A的寄存器

LM75A內部有溫度寄存器Temp、配置寄存器、滯后寄存器Thyst和過溫關斷閾值寄存器Tos等4個寄存器，地址分別為0x00、0x01、0x02和0x03。

(1)溫度寄存器Temp。LM75A的溫度寄存器Temp是一個只讀寄存器，地址為0x00。它包含2個8位的數(shù)據(jù)字節(jié)，由一個高數(shù)據(jù)字節(jié)(MS)和一個低數(shù)據(jù)字節(jié)(LS)組成。這兩個字節(jié)中只有11位用來存放分辨率為0.125℃的Temp數(shù)據(jù)(以二進制補碼數(shù)據(jù)的形式)，如表11.12所示。

根據(jù)11位Temp數(shù)據(jù)來計算溫度值的方法為：若D10=0,溫度值(℃)?=?+Temp數(shù)據(jù)×0.125℃；若D10?=?1，溫度值(℃)?=?-Temp數(shù)據(jù)的二進制補碼?×?0.125℃。表11.12Temp寄存器

(2)配置寄存器。配置寄存器為8位可讀