第11章 单片机应用系统的 串行扩展 3
1 第11章 单片机应用系统的 串行扩展 1
第11章单片机应用系统的串行扩展 11.1单总线串行扩展 11.1.1单总线系统的典型应用-DS18B20的温度测量系统 11.1.2单总线DS18B20温度测量系统的设计 11.2SPI总线串行扩展 11.3I2C总线的串行扩展 11.3.12C串行总线系统的基本结构 11.3.22C总线的数据传送规定 11.3.3AT89S52的12C总线系统扩展 11.3.42C总线数据传送的模拟 11.3.5利用I2C总线扩展E2 PROM AT24C02的IC卡设计 2
2 第11章 单片机应用系统的串行扩展 11.1 单总线串行扩展 11.1.1 单总线系统的典型应用-DS18B20的温度测量系统 11.1.2 单总线DS18B20温度测量系统的设计 11.2 SPI总线串行扩展 11.3 I2C总线的串行扩展 11.3.1 I2C串行总线系统的基本结构 11.3.2 I2C总线的数据传送规定 11.3.3 AT89S52的I2C总线系统扩展 11.3.4 I2C总线数据传送的模拟 11.3.5 利用I2C总线扩展E2PROM AT24C02的IC卡设计
内容概要 单片机应用系统除并行扩展外，串行扩展技术也已得到广泛应 用。与并行扩展相比，串行接口器件与单片机相连需要的O 口线很少，极大地简化了器件间的连接，进而提高了可靠性； 串行接口器件体积小，占用电路板的空间小，减少了电路板空 间和成本。 常见的单片机串行扩展总线接口有单总线(1-Wire)、 SPI串 行外设接口以及I2C(Inter Interface Circuit)串行总线接口， 本章介绍这几种串行扩展接口总线的工作原理及特点以及如何 进行系统串行扩展的典型设计。 3
3 内容概要 单片机应用系统除并行扩展外，串行扩展技术也已得到广泛应 用。与并行扩展相比，串行接口器件与单片机相连需要的I/O 口线很少，极大地简化了器件间的连接，进而提高了可靠性； 串行接口器件体积小，占用电路板的空间小，减少了电路板空 间和成本。 常见的单片机串行扩展总线接口有单总线（1-Wire）、SPI串 行外设接口以及I2C（Inter Interface Circuit）串行总线接口， 本章介绍这几种串行扩展接口总线的工作原理及特点以及如何 进行系统串行扩展的典型设计
11.1 单总线串行扩展 单总线也称1-Vire bus,由美国DALLAS公司推出的外围串 行扩展总线。它只有一条数据输入/输出线DQ,总线上的所有 器件都挂在DQ上，电源也通过这条信号线供给，这种只使用 一条信号线的串行扩展技术，称为单总线技术。 单总线系统中配置的各种器件，由DALLAS公司提供的专用 芯片实现。每个芯片都有64位ROM,厂家对每一芯片都用激 光烧写编码，其中存有16位十进制编码序列号，它是器件的地 址编号，确保它挂在总线上后，可唯一地被确定。 4
4 11.1 单总线串行扩展 单总线也称1-Wire bus，由美国DALLAS公司推出的外围串 行扩展总线。它只有一条数据输入/输出线DQ，总线上的所有 器件都挂在DQ上，电源也通过这条信号线供给，这种只使用 一条信号线的串行扩展技术，称为单总线技术。 单总线系统中配置的各种器件，由DALLAS公司提供的专用 芯片实现。每个芯片都有64位ROM，厂家对每一芯片都用激 光烧写编码，其中存有16位十进制编码序列号，它是器件的地 址编号，确保它挂在总线上后，可唯一地被确定。 4
除了器件的地址编码外，芯片内还包含收发控制和电源存储 电路，如图11-1所示。这些芯片的耗电量都很小（空闲时几 W,工作时几W),工作时从总线上馈送电能到大电容中就 可以工作，故一般不需另加电源。 5
5 除了器件的地址编码外，芯片内还包含收发控制和电源存储 电路，如图11-1所示。这些芯片的耗电量都很小（空闲时几 µW，工作时几mW），工作时从总线上馈送电能到大电容中就 可以工作，故一般不需另加电源
单总线< 序列号 ·接收 ◆发送 ·电源 左 能量存储 图11-1单总线芯片的内部结构示意图 6
6 图11-1 单总线芯片的内部结构示意图
11.1.1单总线系统的典型应用-DS18B20的温度测量系统 单总线应用的典型案例是采用单总线温度传感器 DS18B20的温度测量系统。 1.单总线温度传感器DS18B20简介 美国DALLAS公司推出的单总线接口的数字温度传感器， 温度测量范围为-55~+128°℃，在-10~+85°℃范围内，测量 精度可达±0.5°℃。DS18B20体积小、功耗低，现场温度的 测量直接通过“单总线”以数字方式传输，大大提高了系统 的抗干扰性。非常适合于恶劣环境的现场温度测量，也可用 于各种狭小空间内设备的测温，如环境控制、过程监测、测 温类消费电子产品以及多点温度测控系统等。 7
7 11.1.1 单总线系统的典型应用-DS18B20的温度测量系统 单总线应用的典型案例是采用单总线温度传感器 DS18B20的温度测量系统。 1. 单总线温度传感器DS18B20简介 美国DALLAS公司推出的单总线接口的数字温度传感器， 温度测量范围为−55～+128℃，在-10～+85℃范围内，测量 精度可达±0.5℃。DS18B20体积小、功耗低，现场温度的 测量直接通过“单总线”以数字方式传输，大大提高了系统 的抗干扰性。非常适合于恶劣环境的现场温度测量，也可用 于各种狭小空间内设备的测温，如环境控制、过程监测、测 温类消费电子产品以及多点温度测控系统等。 7
由于DS18B20可直接将温度转化成数字信号传送给单片机 处理，因而可省去传统的信号放大、AD转换等外围电路。 图11-2为单片机与多个带有单总线接口的数字温度传感器 DS18B20芯片的分布式温度监测系统，图中多个DS18B20都 挂在单片机的1根VO口线（即DQ线)上。 单片机对每个DS18B20通过总线DQ寻址。DQ为漏极开路， 须加上拉电阻。DS18B20的一种封装形式如图11-2所示。除 DS18B20外，在该数字温度传感器系列中还有DS1820、 DS18S20、DS1822等其他型号产品，工作原理与特性基本相 同。 8
8 由于DS18B20可直接将温度转化成数字信号传送给单片机 处理，因而可省去传统的信号放大、A/D转换等外围电路。 图11-2为单片机与多个带有单总线接口的数字温度传感器 DS18B20芯片的分布式温度监测系统，图中多个DS18B20都 挂在单片机的1根I/O口线（即DQ线）上。 单片机对每个DS18B20通过总线DQ寻址。DQ为漏极开路， 须加上拉电阻。DS18B20的一种封装形式如图11-2所示。除 DS18B20外，在该数字温度传感器系列中还有DS1820、 DS18S20、DS1822等其他型号产品，工作原理与特性基本相 同
数字温度计 I/O AT89S52 DALLAS 单片机 DQ DQ DQ DQ DS18B20 DS18B20 DS18B20 DS18B20 DS18B20 GND DQ VDD 图11-2单总线构成的分布式温度监测系统 9
9 图11-2 单总线构成的分布式温度监测系统
片内有9个字节的高速暂存器RAM单元，具体内容如下： 温度低位 温度高位 TH TL 配置 &位CRC 第字节 第2字节 第字节 第1字节和第2字节是在单片机发给DS18B20温度转换命令发 布后，经转换所得的温度值，以两字节补码形式存放其中。一 般情况下，用户多使用第1字节和第2字节。单片机通过单总线 可读得该数据，读取时低位在前，高位在后。第3、4字节分别 是由软件写入用户报警的上下限值TH和TL。第5字节为配置寄 存器，可对其更改DS18B20的测温分辨率，高速暂存器的 10
10 片内有9个字节的高速暂存器RAM单元，具体内容如下： 10 第1字节和第2字节是在单片机发给DS18B20温度转换命令发 布后，经转换所得的温度值，以两字节补码形式存放其中。一 般情况下，用户多使用第1字节和第2字节。单片机通过单总线 可读得该数据，读取时低位在前，高位在后。第3、4字节分别 是由软件写入用户报警的上下限值TH和TL。第5字节为配置寄 存器，可对其更改DS18B20的测温分辨率，高速暂存器的