[信息与通信]SPI总线_IIC总线课件.ppt

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1、串行总线扩展技术串行总线扩展技术 SPI总线总线 I2C总线总线1I I2 2C C总线总线vI2C总线是总线是Philips公司开发的一种双向两线串行公司开发的一种双向两线串行总线，以实现集成电路之间的有效控制。目前，总线，以实现集成电路之间的有效控制。目前，Philips及其它半导体厂商提供了大量的含有及其它半导体厂商提供了大量的含有I2C总线的外围接口芯片，总线的外围接口芯片，I2C总线已成为广泛应用的总线已成为广泛应用的工业标准之一。工业标准之一。v标准模式下，基本的标准模式下，基本的I2C总线规范的规定的数据传总线规范的规定的数据传输速率为输速率为100kb/s。v快速模式下，数据传

2、输速率为快速模式下，数据传输速率为400KB/s。v高速模式下，数据传输速率为高速模式下，数据传输速率为3.4Mb/s。2I2C总线总线 vI2C总线始终和先进技术保持同步，并保持其向下总线始终和先进技术保持同步，并保持其向下兼容性。兼容性。I2C总线采用二线制传输，一根是数据线总线采用二线制传输，一根是数据线SDA（Serial Data Line），另一根是时钟线），另一根是时钟线SCL（serial clock line），所有），所有I2C器件都连器件都连接在接在SDA和和SCL上，每一个器件具有一个唯一上，每一个器件具有一个唯一的地址。的地址。I2C总线是一个多主机总线，总线上可以有

3、一总线是一个多主机总线，总线上可以有一个或多个主机（或称主控制器件），总线运行个或多个主机（或称主控制器件），总线运行由主机控制。由主机控制。I2C总线支持多主（总线支持多主（multi-mastering）和主从）和主从（master-slave）两种工作方式。）两种工作方式。3I2C总线总线v主机是指启动数据的传送（发起始信号）、发出时主机是指启动数据的传送（发起始信号）、发出时钟信号、发出终止信号的器件。通常，主机由单片钟信号、发出终止信号的器件。通常，主机由单片机或其它微处理器担任。机或其它微处理器担任。v被主机访问的器件叫从机（或称从器件），它可以被主机访问的器件叫从机（或称从器件）

4、，它可以是其它单片机，或者其他外围芯片，如：是其它单片机，或者其他外围芯片，如：A/D、D/A、LED或或LCD驱动、串行存储器芯片。驱动、串行存储器芯片。4I2C总线总线v多主方式下，多主方式下，I2C总线上可以有多个主机。总线上可以有多个主机。I2C总线总线需通过硬件和软件仲裁来确定主机对总线的控制权。需通过硬件和软件仲裁来确定主机对总线的控制权。v主从工作方式时，系统中只有一个主机，总线上的主从工作方式时，系统中只有一个主机，总线上的其它器件均为从机（具有其它器件均为从机（具有I2C总线接口），只有主机总线接口），只有主机能对从机进行读写访问，因此，不存在总线的竞争能对从机进行读写访问，

5、因此，不存在总线的竞争等问题。在主从方式下，等问题。在主从方式下，I2C总线的时序可以模拟总线的时序可以模拟，I2C总线的使用不受主机是否具有总线的使用不受主机是否具有I2C总线接口的总线接口的制约。制约。v MCS-51系列单片机本身不具有系列单片机本身不具有I2C总线接口，总线接口，可以用其可以用其I/O口线模拟口线模拟I2C总线总线 5I2C总线总线单主机系统单主机系统I2CI2C总线扩展示意图总线扩展示意图 6I2C总线的数据传输总线的数据传输 标准模式和快速模式下器件连接到标准模式和快速模式下器件连接到I I2 2C C总线的形式总线的形式 双向510k负载能力为400pf 7I2C

6、总线的数据传输总线的数据传输v（一）数据位的传送（一）数据位的传送vI2C总线上主机与从机之间一次传送的数据称为一帧。总线上主机与从机之间一次传送的数据称为一帧。由启动信号、若干个数据字节、应答位和停止信号组由启动信号、若干个数据字节、应答位和停止信号组成。数据传送的基本单元为一位数据。成。数据传送的基本单元为一位数据。v时钟线时钟线SCL的一个时钟周期只能传输一位数据。在的一个时钟周期只能传输一位数据。在SCL时钟线为高电平期间内，数据线时钟线为高电平期间内，数据线SDA上的数据必上的数据必须稳定。当须稳定。当SCL时钟线变为低电平时，数据线时钟线变为低电平时，数据线SDA的的状态才能改变。

7、状态才能改变。8I2C总线的数据传输总线的数据传输v（二）启始和停止状态（二）启始和停止状态v起始（起始（START）状态：）状态：I2C总线传输过程中，当时钟线总线传输过程中，当时钟线SCL为高电平时，数据线为高电平时，数据线SDA出现高电平到低电平跳出现高电平到低电平跳变时，标志变时，标志I2C总线传输数据开始。总线传输数据开始。v停止（停止（STOP）状态：）状态：I2C总线传输过程中，当时钟线总线传输过程中，当时钟线SCL为高电平时，数据线为高电平时，数据线SDA出现低电平到高电平跳出现低电平到高电平跳变时，标志着变时，标志着I2C总线传输数据结束。总线传输数据结束。起始和停止状态是由

8、主机发出 9I2C总线的数据传输总线的数据传输v（三）传输数据 传输到数据线SDA上的每个字节必须为8位 v每次传输的字节数不受限制。每个字节后必须跟一个应每次传输的字节数不受限制。每个字节后必须跟一个应答（答（acknowledge）位。数据传输时，首先传送最高位，）位。数据传输时，首先传送最高位，如图如图10.5所示，所示，如果从机暂时不能接收下一个字节数据，如果从机暂时不能接收下一个字节数据，如从机响应内部中断，那么，可以使时钟线如从机响应内部中断，那么，可以使时钟线SCL保持为保持为低电平，迫使主机处于等待状态；当从机准备就绪后，低电平，迫使主机处于等待状态；当从机准备就绪后，再释放时

9、钟线再释放时钟线SCL，使数据传输继续进行，使数据传输继续进行。10I2C总线的数据传输总线的数据传输v（四）应答（四）应答vI2C协议规定，在每个字节传送完毕后，必须有一个应协议规定，在每个字节传送完毕后，必须有一个应答位。应答位的时钟脉冲由主机产生。在应答时钟有答位。应答位的时钟脉冲由主机产生。在应答时钟有效期间，发送设备把数据线效期间，发送设备把数据线SDA置为高电平；接收设置为高电平；接收设备必须把数据线备必须把数据线SDA置为低电平，并且在此期间保持置为低电平，并且在此期间保持低电平状态，以便产生有效的应答信号。低电平状态，以便产生有效的应答信号。11I2C总线的数据传输总线的数据传

10、输v（五）数据传输格式（五）数据传输格式v在起始状态在起始状态S之后，先发送一个之后，先发送一个7位从机地址，接着第位从机地址，接着第8位是数据方向位位是数据方向位,0表示发送表示发送(写写)，1表示请表示请求数据求数据(读读)。一次数据传输总是由主机产生停止状态。一次数据传输总是由主机产生停止状态P而而结束。但是，如果主机还希望在总线上传输数据，那么，结束。但是，如果主机还希望在总线上传输数据，那么，它可以产生另一个起始状态和寻址另一个从机，不需要先它可以产生另一个起始状态和寻址另一个从机，不需要先产生一个停止状态。在这种传输方式中，就可能有读写方产生一个停止状态。在这种传输方式中，就可能有

11、读写方式的组合。式的组合。12I2C总线的数据传输总线的数据传输v在在I2C总线启动或应答信号后的第总线启动或应答信号后的第18个时钟脉冲，对应一个个时钟脉冲，对应一个字节的字节的8位数据传送。高电平期间，数据串行传送；低电平期位数据传送。高电平期间，数据串行传送；低电平期间为数据准备，允许总线上数据电平变化。一旦间为数据准备，允许总线上数据电平变化。一旦I2C总线启动，总线启动，传送的字节数没有限制，只要求每传送一个字节后，对方回传送的字节数没有限制，只要求每传送一个字节后，对方回应一个应答位。发送时，最先发送的是数据的最高位。每次应一个应答位。发送时，最先发送的是数据的最高位。每次传送开始

12、有起始信号，结束时有停止信号。传送完一个字节，传送开始有起始信号，结束时有停止信号。传送完一个字节，可以通过对时钟线的控制使传送暂停。可以通过对时钟线的控制使传送暂停。v（五）数据传输格式（五）数据传输格式13I2C总线的数据传输总线的数据传输v在在I2C总线上，传输数据可能的数据格式：总线上，传输数据可能的数据格式：v（五）数据传输格式（五）数据传输格式（1 1）主机发送器发送到从机接收器。数据传输的方向）主机发送器发送到从机接收器。数据传输的方向不变化。不变化。1410.1.2 I2C总线的数据传输总线的数据传输v（2 2）在第一个字节后主机立即读从机。）在第一个字节后主机立即读从机。v在

13、在I2C总线上，传输数据可能的数据格式总线上，传输数据可能的数据格式：v（五）数据传输格式（五）数据传输格式1510.1.2 I2C总线的数据传输总线的数据传输v（3 3）组合格式）组合格式 v在在I2C总线上，传输数据可能的数据格式总线上，传输数据可能的数据格式：v（五）数据传输格式（五）数据传输格式16I2C总线的寻址总线的寻址v每个连接在每个连接在I2C总线的器件，都具有一个唯一确定的总线的器件，都具有一个唯一确定的地址。在任何时刻，地址。在任何时刻，I2C总线上只能有一个主机对总总线上只能有一个主机对总线实行控制权，分时地实现点对点的数据传送。线实行控制权，分时地实现点对点的数据传送。

14、v器件（从机）的地址由器件（从机）的地址由7位组成，它与位组成，它与1位方向位构位方向位构成了成了I2C总线数据传输时起始状态总线数据传输时起始状态S之后第之后第1个字节。个字节。v从机地址由固定位和可编程位组成。固定位由从机地址由固定位和可编程位组成。固定位由器件出厂时给定，用户不能自行设置，它是器器件出厂时给定，用户不能自行设置，它是器件的标识码。件的标识码。17SPI总线扩展技术总线扩展技术 vSPI（Serial Peripheral Interface）总线是）总线是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口，公司提出的一种同步串行外设接口，它可它可以使微控制器（以使微控制器（M

15、CU）与各种外围设备以串行方式）与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设备包括进行通信以交换信息。外围设备包括FLASHRAM、网络控制器、网络控制器、LCD显示驱动器、显示驱动器、A/D 转换器和微控转换器和微控制器等。制器等。vSPI总线使用同步协议传送数据，接收或发送数据总线使用同步协议传送数据，接收或发送数据时由主机产生的时钟信号控制。时由主机产生的时钟信号控制。SPI接口可以连接接口可以连接多个多个SPI芯片或装置，主机通过选择它们的片选来芯片或装置，主机通过选择它们的片选来分时访问不同的芯片。分时访问不同的芯片。18SPI总线总线 v（一）（一）SPI总线构成总线构成vM

16、OSI（Master Out Slave In）：主机发送从机接收。）：主机发送从机接收。v MISO（Master In Slave Out）：主机接收从机发送）：主机接收从机发送 vSCLK或或SCK（Serial Clock）：串行时钟）：串行时钟 v(Chip Select for the peripheral)：外围器件的片选。：外围器件的片选。有的微控制器设有专用的有的微控制器设有专用的SPI接口的片许，称为从机选接口的片许，称为从机选择（择（）。）。vMOSI(SI或或SDI)信号由主机产生，接收者为从机；信号由主机产生，接收者为从机；ISO(SO或或SDO)信号由从机发出；信号

17、由从机发出；CLK或或SCK由主机由主机发出，用来同步数据传送；片选信号也由主机产生，发出，用来同步数据传送；片选信号也由主机产生，用来选择从机芯片或装置。用来选择从机芯片或装置。19SPI总线总线v（二）（二）SPI总线信号线基本连接关系：总线信号线基本连接关系：SPI 总线系统有以下几种形式：总线系统有以下几种形式：1个主机和多个从个主机和多个从机、多个从机相互连接构成多主机系统机、多个从机相互连接构成多主机系统(分布式系分布式系统统)、1个主机与个主机与1个或几个个或几个I/O设备构成的系统等。设备构成的系统等。2010.2.1 SPI总线总线v（三）主从方式（三）主从方式SPI总线接口

18、系统的典型结构总线接口系统的典型结构v（1）在大多数应用场合，可使用）在大多数应用场合，可使用1个微控制器作为主控个微控制器作为主控机来控制数据传送，并向机来控制数据传送，并向1个或几个外围器件传送数据。从个或几个外围器件传送数据。从机只有在主机发命令时才能接收或发送数据机只有在主机发命令时才能接收或发送数据。v （2）当一个主机通过）当一个主机通过SPI与多个芯片相连时，必须使用每与多个芯片相连时，必须使用每个芯片的片选，这可通过个芯片的片选，这可通过MCU的的I/O端口输出线来实现。端口输出线来实现。21SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v 由通道选择器

19、、数据（地址和命令字）由通道选择器、数据（地址和命令字）输入寄存器、采样输入寄存器、采样/保持电路、保持电路、1212位的模位的模/数转换数转换器，输出寄存器、并行器，输出寄存器、并行/串行转换器以及控制逻串行转换器以及控制逻辑电路等部分组成。通道选择器根据输入地址寄辑电路等部分组成。通道选择器根据输入地址寄存器中存放的模拟输入通道地址，选择输入通道，存器中存放的模拟输入通道地址，选择输入通道，并将该输入通道中的模拟信号送到采样并将该输入通道中的模拟信号送到采样/保持电保持电路中；然后，在路中；然后，在1212位模位模/数转换器中，把采样的模数转换器中，把采样的模拟量进行量化编码，转换成数字量

20、并存放到输出拟量进行量化编码，转换成数字量并存放到输出寄存器中。转换结果经过并行寄存器中。转换结果经过并行/串行转换器转换串行转换器转换成串行数据，从成串行数据，从DOUTDOUT引脚输出。引脚输出。22SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v(一一)TLC1543的引脚功能的引脚功能 v（1）AIN0AIN10（引脚（引脚19，引脚引脚11、引脚、引脚12）：输入，模）：输入，模拟量输入通道，在使用拟量输入通道，在使用4.1MHz的的I/O时钟时，外部输入设备的时钟时，外部输入设备的输出阻抗应小于或等于输出阻抗应小于或等于30。v（2）CS（引脚（引脚15）：

21、输入，）：输入，片选。引脚出现一个从高到低的片选。引脚出现一个从高到低的变化可以使芯片内部寄存器复位，变化可以使芯片内部寄存器复位，同时使能同时使能DIN DOUT和和I/O时钟时钟输入。当引脚出现一个从低到高输入。当引脚出现一个从低到高的变化时，数据输入、数据输出的变化时，数据输入、数据输出和和I/O时钟输入无效。时钟输入无效。23SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v（3）DIN（引脚（引脚17）：输入，串行数据输入端。最先输入）：输入，串行数据输入端。最先输入的的4位用来选择模拟量输入通道。数据传送时最高位在前，位用来选择模拟量输入通道。数据传送时最高位

22、在前，每一个每一个I/O时钟的上升沿送入一位数据，最先时钟的上升沿送入一位数据，最先4位数据是转换位数据是转换通道选择位。通道选择位。v（4）DOUT（引脚（引脚16）：输出，串行数据输出端，输出的）：输出，串行数据输出端，输出的数据有长度为数据有长度为10位。数据输出引脚位。数据输出引脚DOUT在为高时呈高阻状在为高时呈高阻状态，在为低电平时，态，在为低电平时，DOUT引脚输出有效。引脚输出有效。v(一)TLC1543的引脚功能 24SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v（5）EOC（引脚（引脚19）：输出，）：输出，A/D转换结束信号，在命转换结束信号，在

23、命令的最后一个令的最后一个I/O时钟的下降沿变低，时钟的下降沿变低，A/D转换结束后，由转换结束后，由EOC由低电平变为高电平。由低电平变为高电平。v（6）I/O CLOCK（引脚（引脚18）：输入，输入）：输入，输入/输出同步时输出同步时钟，它有钟，它有4种功能：种功能：v1 1）在）在I/O CLOCKI/O CLOCK的前的前8 8个上升沿，把命令字输入到的数据个上升沿，把命令字输入到的数据输入寄存器，其中前输入寄存器，其中前4 4个是输入通道地址选择。个是输入通道地址选择。v2 2）在）在I/O CLOCKI/O CLOCK的第的第4 4个个I/OI/O时钟的下降沿，选中通道的时钟的下

24、降沿，选中通道的模拟信号对芯片中电容阵列进行充电，直到最后一个模拟信号对芯片中电容阵列进行充电，直到最后一个I/OI/O时钟结束。时钟结束。v3 3）I/OI/O时钟把上次转换结果输出，在最后一个数据输出完时钟把上次转换结果输出，在最后一个数据输出完后，开始下一次转换。后，开始下一次转换。v4 4）在最后一个）在最后一个I/OI/O时钟的下降沿，把时钟的下降沿，把EOCEOC变为低电平。变为低电平。v(一一)TLC1543的引脚功能的引脚功能 25SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v（7）参考电源）参考电源vREF 引脚引脚14，正参考电压。，正参考电压。R

25、EF 引脚引脚13，负参考电压。最大的输入电压取决于正参考电压与，负参考电压。最大的输入电压取决于正参考电压与负参考电压的差值。负参考电压的差值。v（8）芯片工作电源）芯片工作电源vVcc引脚引脚20，电源正极，电源正极，5V。GND引引脚脚10，电源地。，电源地。v(一一)TLC1543的引脚功能的引脚功能 26SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v（二）TLC2143的时序图10.31 使用片选信号高位在前的时序27SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v（1）高）高4位位（B3B0）设置，）设置，可以实现从可以实现从11个

26、个模拟量输入通道中模拟量输入通道中选择选择1个通道进行个通道进行转换；或从转换；或从3个内个内部自测电压中选择部自测电压中选择一个，以对转换器一个，以对转换器进行校准；或者选进行校准；或者选择软件掉电方式。择软件掉电方式。v（三）（三）TCL2543的命令字的命令字 28SPI总线多通道串行输出总线多通道串行输出A/D芯片芯片TLC1543v（四）TLC1543 与MCS-51单片机的接口程序设计 29串行输入串行输入D/A芯片芯片TLC5615接口技术接口技术v（一）TLC5615的片内结构和引脚功能30串行输入串行输入D/A芯片芯片TLC5615接口技术接口技术v（一）TLC5615的片内

27、结构和引脚功能（1）DIN(引脚引脚1)：输入：输入,串行数据输入；串行数据输入；（2）SCLK(引脚引脚2)：输入：输入,串行时钟输入；串行时钟输入；（3）CS(引脚引脚3)：输入：输入,芯片选择芯片选择,低电低电平有效；平有效；（4）DOUT(引脚引脚4)：输出：输出,用于多个芯片用于多个芯片级联时的串行数据输出；级联时的串行数据输出；（5）AGND(引脚引脚5)：模拟地；：模拟地；（6）REFIN(引脚引脚6)：参考电压输入；：参考电压输入；（7）OUT(引脚引脚7)：输出，模拟电压输出；：输出，模拟电压输出；（8）VDD(引脚引脚8)：电源。：电源。31串行输入串行输入D/A芯片芯片TLC5615接口技术接口技术v（二）TLC5615的时序 32串行输入串行输入D/A芯片芯片TLC5615接口技术接口技术在片选信号是低电平时，输入数据将在在片选信号是低电平时，输入数据将在SCLK时钟信号时钟信号的上升沿被移入移位寄存器的上升沿被移入移位寄存器33串行输入串行输入D/A芯片芯片TLC5615接口技术接口技术v（三）TLC5615与MCS-51单片机的接口及程序设计 34