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1、常用数据传输接口v本章主要介绍I2C，SPI和1-wire三种传输总线的传输协议及过程，为了便于大家对三种传输总线的理解，笔者针对每种传输总线分别介绍了AT24C02，DS1302和DS18B20三款芯片的使用方法和应用过程。12.1 I2C总线AT24C02设计12.1.1 I2C总线概述vI2C总线全称是Inter-Integrated Circuit总线，有时也写为IIC总线，由菲利普公司推出，是广泛采用的一种新型总线标准，也是同步通信的一种通信形式。具有接口线少、占用的空间非常小、控制简单、通信速率较高等优点。所有与I2C兼容的器件都具有标准的接口，可以把多个I2C总线器件同时接入I2
2、C总线上，通过地址来识别通信对象，使它们可以经由I2C总线相互直接通信。12.1.2 I2C总线硬件结构图图图12.1.1 I2C总线系统的硬件结构图总线系统的硬件结构图12.1.3 I2C总线通信时序vI2C总线上进行一次数据通信的时序图12.1.2所示。图图12.1.2 I2C总线进行一次数据通信的时序图总线进行一次数据通信的时序图12.1.4 数据位的有效性规定 图图12.1.4 I2C总线数据位有效性规定总线数据位有效性规定12.1.5 发送启动信号图图12.1.5 I2C总线启动信号时序图总线启动信号时序图 12.1.6 发送寻址信号v器件地址有7位和10位两种，这里只介绍7位地址寻
3、址方式。v在I2C总线开始信号后，再发送寻址信号。送出的第一个字节数据是SLA寻址字节，用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/)。12.1.7 应答信号规定图图12.1.6 I2C总线应答信号时序图总线应答信号时序图12.1.8 数据传输 v数据传输的过程如下：v（1）假设器件A要向器件B发送信息：v器件A（主机）寻址器件B（从机）v器件A（主机发送器）发送数据到器件B（从机接收器）v器件A终止传输v（2）假设器件A要读取器件B中的信息：v器件A（主机）寻址器件B（从机）v器件A（主机接收器）从器件B（从机发送器）接收数据v器件A终止传输12.1.9 非应答信号规定v当
4、主机为接收设备时，主机对最后一个字节不应答，以向发送设备表示数据传送结束。12.1.10 发送停止信号图图12.1.7 I2C总线停止信号时序图总线停止信号时序图12.2 单片机模拟I2C总线通信v在单片机模拟I2C总线通信时，需要调用一些函数构建相应的时序。这些函数有：总线初始化、启动信号、应答信号、停止信号、写一个字节、读一个字节。12.3 AT24C02的基础知识v具有I2C总线接口的EEPROM很多，在此就仅介绍ATMEL公司生产的AT24C系列EEPROM，其主要型号AT24C01/02/04/08/16等，其对应的存储容量分别为128x8/256x8/512x8/1024x8/20
5、48x8。采用这类芯片可以解决掉电数据丢失的问题，可以对保存的数据保持100年，并可以擦除10万次以上。12.3.1 AT24C02引脚配置与引脚功能图图12.3.1 AT24C02芯片实物图和管脚图芯片实物图和管脚图12.3.2 AT24C02的特性v与400KHz I2C总线兼容v1.8到6.0伏电压范围v低功耗CMOS技术v写保护功能：当WP位高电平时进行写保护状态v页写缓冲器v自定时擦除写周期v1,000,000编程/擦除周期v可保存数据100年v8脚DIP、SOIC或TSSOP封装v温度范围：商业级、工业级和汽车级12.3.3 AT24C02管脚描述图图12.3.2 单片机与单片机与
6、AT24C02连接的电路图连接的电路图v AT24C02管脚功能描述管脚功能描述表表12.3.1 AT24C02管脚功能描述管脚功能描述12.4 AT24C02的应用实例v12.4.1 设计要求v采用定时中断方式，设计一个059s变化的秒表，将每次显示在数码管上的时间（059）存入AT24C02。图图12.4.1 基于基于AT24C02的秒表设计原理图的秒表设计原理图12.5 SPI 总线DS1302实时时钟设计12.5.1 SPI总线简介vSPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口。SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同
7、步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支持多Slave模式应用，一般仅支持单Master。时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。图图12.5.1 SPI 主从机接口连接图主从机接口连接图12.5.2 接口定义数据传输图图12.5.2 SPI信号传输示意图信号传输示意图v接口定义数据传输表表12.5.1 SPI 的的4根信号线功能表根信号线功能表图图12.5.3 多个多个SPI从设备级联图从设备级联图图图12.5.4 多个多个SP
8、I从设备独立连接图从设备独立连接图v要注意的是：要注意的是：SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样的传输方式有个优点：与普通的串行通信相比，SPI允许数据一位一位地传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟信号的控制可以完成对通信的控制。SPI还有一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线相互独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上升沿或下降沿的采集有不同的定
9、义，具体的情况需要参考相关器件的技术文档。12.6 DS1302的基础知识vDS1302主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。vDS1302缺点：时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。vDS1302优点：DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。vDS1302的结构及工作原理的结构及工作原理 vDS1302工作电压为2.5V5.5V，采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部
10、有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。vDS1302实物及引脚图，如图 图图12.6.1 DS1302实物及引脚图实物及引脚图vDS1302串行时钟由电源、输入移位寄存器、命令控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成，其结构图如图 图图12.6.2 DS1302结构图结构图 vDS1302的控制字节的控制字节 图图12.6.3 DS1302单字节数据读单字节数据读/写时序写时序 12.7 DS1302显示时钟的实例v12.7.1 设计要求v用DS1
11、302设计一个数字时钟。图图12.7.1 DS1302电路连接原理图电路连接原理图12.8 1-Wire总线介绍及DS18B20测量温度设计v12.8.1 1-wire单总线概述图图12.8.1 1-wire总线示意图总线示意图12.8.2 DS18B20的基础知识v以Dallas公司生产的DS18B20芯片为例，DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型智能数字温度传感器，与传统的热敏电阻相比，它只需一根导线就能直接读出被测温度，并可以根据实际需求编程实现912位数字值的读数方式。它有三种封装形式 图图12.8.2 三种封装形式及芯片的外形图三种封装形式及芯片的外形图v
12、DS18B20内部结构内部结构图图12.8.3 DS18B20内部结构框图内部结构框图vDS18B20的工作原理的工作原理 图图12.8.4 DS18B20的测温原理图的测温原理图12.9 DS18B20测量温度的实例v12.9.1 设计要求vDS18B20它在一根数据线上实现数据的双向传输，这就需要一定的协议来对读/写数据提出严格的时序要求，而AT89系列单片机并不支持单线传输。因此，必须采用软件的方法来模拟单线的协议时序。图图12.9.1 DS18B20应用原理图应用原理图12.10 小结v本章详细介绍了I2C，SPI和1-wire三种总线的传输协议和传输过程，本章中所设计的三个应用实例也十分实用，在很多场合都能使用得上，比如DS1302电子表和DS18B20温度计。若是同学们能掌握它们的设计方法，自己设计一个简易的电子表或温度计都不再有问题。