8051单片机的I2C接口并行扩展
实验八 51系列单片机IIC
I2C总线上的所有器件连接在一个公共的总线上，因此，主器件在进行数据传输前选择需要通信的从器件，即进行总线寻址。 I2C总线上所有外围器件都需要有惟一的地址，由器件地址和引脚地址两部分组成，共7位。器件地址是I2C器件固有的地址编码，器件出厂时就已经给定，不可更改。引脚地址是由I2C总线外围器件的地址引脚（A2，A1，A0）决定，根据其在电路中接电源正极、接地或悬空的不同，形成不同的地址代码。引脚地址数也决定了同一种器件可接入总线的最大数目。 地址位与一个方向位共同构成I2C总线器件寻址字节。寻址字节的格式如表所示。方向位（R/）规定了总线上的主器件与外围器件（从器件）的数据传输送方向。当方向位R/=1，表示主器件读取从器件中的数据；R/=0，表示主器件向从器件发送数据。
从地址中读取一个字节的数据
INT8U read_random(INT8U RomAddress) { INT8U Read_data; I_Start(); I_Write8Bit(WriteDeviceAddress); I_TestAck(); I_Write8Bit(RomAddress); I_TestAck(); I_Start(); I_Write8Bit(ReadDeviceAddress); I_TestAck(); Read_data=I_Read8Bit(); I_NoAck(); I_Stop(); return (Read_data); }
8.4.1 串行EEPROM存储器简介
串行EEPROM存储器是一种采用串行总线的存储器，这类存储器具有体积小、功耗低、允许工作电压范围宽等特点。目前，单片机系统中使用较多的EEPROM芯片是24系列串行EEPROM。其具有型号多、容量大、支持I2C总线协议、占用单片机I/O端口少，芯片扩展方便、读写简单等优点。 目前，Atmel、MicroChip、National等公司均提供各种型号的I2C总线接口的串行EEPROM存储器。下面以Atmel公司的产品为例进行介绍。 AT24C01/02/04/08系列是Atmel公司典型的I2C串行总线的EEPROM。这里以AT24C08为例介绍。AT24C08具有1024×8位的存储容量，工作于从器件模式，可重复擦写100万次，数据可以掉电保存100年。8引脚DIP封装的AT24C08的封装结构，如图所示。
单片机数字输入输出接口扩展设计方法
单片机数字输入输出接口扩展设计方法单片机作为一种常见的微控制器，其数字输入输出接口的扩展设计方法是我们在电子工程领域中经常遇到的任务之一。
在本文中，我们将讨论单片机数字输入输出接口的扩展设计方法，并探讨其中的原理和应用。
在单片机系统中，数字输入输出（I/O）接口在连接外围设备时起着至关重要的作用。
通过扩展数字 I/O 接口可以为单片机系统提供更多的输入输出通道，从而提高系统的功能和性能。
下面将介绍几种常见的单片机数字 I/O 接口扩展设计方法。
1. 并行输入输出接口扩展并行输入输出接口扩展是最常见和直接的扩展方法之一。
通常，单片机的内部I/O口数量有限，无法满足一些复杂的应用需求。
通过使用外部并行输入输出扩展芯片，可以将单片机的I/O口扩展到更多的通道，同时保持高速数据传输。
这种方法可以使用注册器和开关阵列来实现数据的输入和输出。
2. 串行输入输出接口扩展串行输入输出接口扩展是一种节省外部引脚数量的方法。
使用串行输入输出扩展器，可以通过仅使用几个引脚实现多个输入输出通道。
这种方法适用于具有较多外设设备且外围设备数量有限的应用场景。
通过串行接口（如SPI或I2C）与扩展器通信，可以实现高效的数据传输和控制。
3. 矩阵键盘扩展矩阵键盘扩展是一种常见的数字输入接口扩展方法。
很多应用中，需要通过键盘输入数据或控制系统。
通过矩阵键盘的使用，可以大大减少所需的引脚数量。
通过编程方法可以实现键盘按键的扫描和解码，从而获取用户输入的数据或控制信号。
4. 脉冲编码调制（PCM）接口扩展脉冲编码调制是一种常见的数字输出接口扩展方法。
它通过对数字信号进行脉冲编码，将数字信号转换为脉冲信号输出。
这种方法适用于需要输出多个连续的数字信号的应用，如驱动器或步进电机控制。
通过适当的电路设计和编程，可以实现高效的数字信号输出。
5. PWM（脉冲宽度调制）接口扩展PWM接口扩展是一种常用的数字输出接口扩展方法。
PWM技术通过改变信号的脉冲宽度来实现模拟信号输出。
哈工大51单片机存储器扩展
并行接口特点
串行接口特点
串行接口具有数据传输速度较慢、数 据总线宽度较小等缺点，但电路连接 简单、占用引脚少。
并行接口具有数据传输速度快、数据 总线宽度大等优点，但电路连接复杂。
51单片机存储器的访问方式
01
02
03
直接寻址方式
直接寻址方式是指直接给 出存储单元的地址，通过 该地址访问存储器中的数 据。
通过哈工大51单片机的外部存 储器接口，将存储器芯片与单 片机连接。
根据存储器芯片的规格书，设 计相应的电路和连接方式。
根据实际需求，编写相应的程 序来读写扩展的存储器。
05 扩展存储器的应用与优化
扩展存储器在系统中的应用
数据存储
01
扩展存储器用于存储大量数据，如传感器采集的数据、用户数
据等。
程序存储
02
扩展存储器用于存储应用程序的代码，以支持更复杂的功能和
更大的程序。
缓存
03
扩展存储器可以作为高速缓存，提高系统的整体性能。
扩展存储器的性能优化
读写速度
通过优化硬件设计和软件算法，提高扩展存储器的读写速度。
可靠性
采用错误检测和纠正技术，提高扩展存储器的可靠性。
兼容性
确保扩展存储器与主控制器和其他组件的兼容性，以实现无缝集 成。
间接地址映射
扩展存储器的地址通过特 定的寄存器映射到单片机 的地址空间，可以实现更 灵活的地址管理。
段地址映射
将扩展存储器分成若干段， 每段独立映射到单片机的 地址空间，可以实现较大 的存储空间扩展。
04 哈工大51单片机存储器扩 展方案
扩展方案的比较与选择
方案一：并行扩展 优点：扩展速度快，适用于对速度要求较高的应用。
单片机中I2C总线接口原理解析与应用场景讨论
单片机中I2C总线接口原理解析与应用场景讨论I2C总线接口原理解析与应用场景讨论在单片机领域，I2C（Inter-Integrated Circuit）总线接口是一种常见的通信标准，被广泛应用于各种电子设备中。
本文将对I2C总线接口的原理进行解析，并讨论其在实际应用中的场景。
一、I2C总线接口原理解析I2C总线接口是一种串行通信协议，由飞利浦（Philips）公司开发，并于1982年发布。
它使用两根线作为物理连接，即SDA（Serial Data Line）和SCL（Serial Clock Line）。
SDA线用于数据传输，而SCL线用于时钟同步。
1. 主从通信模式I2C总线接口支持主从通信模式，其中主设备负责发起通信并控制总线，而从设备则被动等待主设备的命令。
主设备的角色可以由单片机或其他控制器扮演，而从设备则可以是各种外设，如传感器、存储器等。
2. 7位地址编码在I2C总线接口中，每个从设备都被分配了一个唯一的7位地址。
主设备通过发送设备地址来选择要与之通信的从设备。
这种设计使得可以在同一总线上连接多个从设备，从而实现多设备之间的通信。
3. 起始和停止条件I2C总线接口使用起始和停止条件来标识通信的开始和结束。
起始条件是在SCL为高电平时，SDA从高电平跳变到低电平。
停止条件则是在SCL为高电平时，SDA从低电平跳变到高电平。
通过这样的起始和停止条件，可以确保每次通信的可靠性。
4. 传输协议在I2C总线接口中，数据的传输是以字节为单位进行的。
每个字节的传输都包含8位数据位和一个ACK位（应答位）。
发送设备通过在SCL线的一个周期中向SDA线发送一个数据位，而接收设备则在下一个SCL周期的下降沿读取数据位。
5. 时钟速率I2C总线接口的时钟速率可以根据实际需求进行调整。
通常，速率可以在100 kHz至400 kHz之间选择，但一些高性能设备支持更高的速率。
时钟速率的选择应该考虑到总线长度、负载电容和设备的工作频率等因素。
n第6章80C51单片机的系统扩展
第六章80C51单片机的系统扩展
系统扩展是指单片机内部各功能部件不 能满足应用系统要求时，在片外连接相应的外 围芯片以满足应用系统要求。80C5l系列单片 机有很强的外部扩展能力，外围扩展电路芯片 大多是一些常规芯片，扩展电路及扩展方法较 典型、规范。用户很容易通过标准扩展电路来 构成较大规模的应用系统。 80C51系列单片机的系统扩展有程序存 储器(ROM)扩展、数据存储器(RAM)扩展、I/O 口扩展、中断系统扩展以及其它特殊功能扩展
第六章80C51单片机的系统扩展
6.1.2外部串行扩展性能 1 80C51系列单片机的串行总线结构 80C51系列单片机的串行总线包括： SPI（Serial Peripheral Interface）三线总线 和I2C公用双总线两种。 • (1) SPI三线总线结构 SPI三线总线结构是一个同步外围接口，允 许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信。 一个完整的SPI系统有如下的特性：
第六章80C51单片机的系统扩展
(2) I2C公用二总线结构
在器件（IC为集成电路芯片）之间， 使用两根信号线（SDA和SCL）串行的 方法进行信息传送的并允许若干兼容器 件共享的二线总线，称为I2C总线。I2C 总线系统的示意图见图6-4。SDA线称 为串行数据线，其上传输双向的数据； SCL线称为串行时钟线，其上传输时钟 信号，用来同步串行数据线上的数据。
第六章80C51单片机的系统扩展
通常情况下，采用80C51/87C51的 最小应用系统最能发挥单片机体积小、 成本低的优点。但在许多情况下，构成 一个工业测控系统时，考虑到传感器接 口、伺服控制接口以及人机对话接口等 的需要，最小应用系统常常不能满足要 求，因此，系统扩展是单片机应用系统 硬件设计中最常遇到的问题。
微机原理与单片机接口技术(第2版)李精华 第8章 微处理器控制系统的接口扩展
8.1.2 编址技术
所谓编址，就是通过51单片机地址总线，使片外扩展的存 储器和I/O口中的每个存储单元或元器件，在51单片机的寻址 范围内均有独立的地址，以便51单片机使用该地址能唯一地选 中该单元。51单片机对外部扩展的存储器和I/O设备进行编址 的方法有两种：线选法和译码法。 1、线选法
所谓线选法，就是直接选定单片机的某根空闲地址线作为 存储芯片的片选信号。 2、译码法
由P0口作为地址线低8位，P2口作为地址线高8位，构 成16位地址，寻址范围为64KB。由于P0口分时复用为 地址总线和数据总线，除提供低8位地址之外，又要 作为数据口，地址和数据分时控制输出。为避免地址 和数据的冲突，低8位地址必须用锁存器锁存。也就 是在P0口外加一个锁存器，当ALE为下降沿时，将低8 位地址锁存。
位（LSB）所对应的输入模拟电压的变化量。分辨率定义 为转换器的满刻度电压（基准电压）VFSR与2n的比值，即
分辨率= VFSR 式中，n为A/D转2换n器输出的二进制位数，n越大，分
辨率越高。分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上 用输出的二进制位数或BCD码位数表示。
8.2 A/D转换器与D/A转换器简介
2．A/D转换器的主要技术指标 • （2）量化误差：模拟量是连续的，而数字量是断续
的，当A/D转换器的位数固定后，数字量不能把模拟 量所有的值都精确地表示出来，这种由A/D转换器有 限分辨率所造成的真实值与转换值之间的误差称为量 化误差。一般量化误差为数字量的最低有效位所表示 的模拟量，理想的量化误差容限是±1/2LSB。
三、教学难点
I2C总线接口的程序设计。
四、教学方式
8.1 单片机的外部并行总线
8.1.1 并行总线结构 51单片机具有外部并行总线，分为地址总线（AB）
单片机并行口扩展和存储器扩展
单片机并行口扩展和存储器扩展
单片机并行口扩展和存储器扩展
1、单片机并行口扩展，扩展I/O口采用和数据存储器相同的寻址方式。
其方法有三种：
1)总线扩展，通过锁存器对P0口扩展，这一扩展方法只分时占用P0口，而不会影响P0口与其他扩展电路的连接作用。
2)串口扩展，通过串口的工作方式完成I/O口的扩展，多通过移位寄存器164/165实现，缺点明显，占用了串口，采用移位方式，速度较慢。
3)通过片内I/O口扩展，也就是不通过P0口而通过其他片内I/O口扩展，例如8255等。
2、单片机存储器扩展，包括程序存储器的扩展和数据存储器的扩展。
由于单片机中的程序存储器和数据存储器严格分开了，因此程序存储器扩展的操作时序有所不同，可分为执行MOVX命令和不执行两种，而数据存储器的扩展相对较为简单，扩展方法也很多。
此处不再赘述。
扩展阅读：51单片机模拟串口的三种方法。
第8章80C51的串行总线扩展
MSB
D6 D5~D2 D1
LSB
单片机读（从器件输出）时，在选通有效的情况下，SCK的下降 沿时从器件将数据放在MISO线上，单片机延时并采样MISO线，将 数据位读入。然后将SCK置为高电平形成上升沿，数据被锁存。
单片机写（从器件输入）操作类似。
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【例8-3】单片机与具有SPI总线接口的E2PROM器件X25F008的
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基本操作子程序
1.应答位检查 （正常操作时F0标志为 “0”，否则为“1”） ASKC:SETB SDA
SETB SCL CLR F0;预设F0=0 MOV C,SDA JNC EXIT;应答正常 SETB F0 ;应答不正常 EXIT:CLR SCL RET
2.发送一个字节（先将欲发送的数据送入A中）
它可以使具有I2C总线的单片机（如PHILIPS公司的8xC552 ）直接 与具有I2C总线接口的各种扩展器件（如存储器、I/O口、A/D、D/A、 键盘、显示器、日历/时钟）连接。
对不带有I2C接口的单片机（如89C51）可采用普通的I/O口结合软 件模拟I2C串行接口总线时序的方法，完成I2C总线的串行接口功能。
MOV @R0,#11H INC R0 MOV @R0,#22H
RET END
R0 @R0,#33H R0 @R0,#44H R0 @R0,#55H R0 @R0,#66H R0 @R0,#77H R0
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【例8－2】接口电路如前图所 示。编程实现从AT24C02的50H57H单元读出8个字节数据，并 将其存入内部RAM的40H-47H单 元。
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5.读取n个字节（由E2PROM） 入口条件：R1发送缓冲区首址
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8051单片机的I2C接口并行扩展
1引言
I2C 总线接口器件在视频处理、移动通信等领域的应用已经非常普遍。
另外，通用的I2C 总线接口器件，如带I2C 总线的RAM，ROM，A/D，D/A，LCD
驱动器等，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。
随着I2C 接口器件
越来越广泛的应用，8051 系列单片机与他之间的通信越来越频繁。
8051 系列单片机与I2C 总线接口器件通信时，8051 的通用口与I2C 总线器件的SCL，SDA 连接。
根据I2C 总线数据传输协议，8051 必须对其两个通用口进行频繁的置位、清零。
根据基于51 指令系统编制的汇编程序，传送一位
数据，需要9 个机器周期，而对于8051，一个机器周期要耗费6 个时钟周期，即用54 个时钟周期才能传送一位数据。
如此则极大地占用了CPU 的工作时间，降低了系统的工作效率，导致I2C 器件的优势难以显现。
因此，有必要设计8051 与I2C 总线的专用接口电路。
该接口电路能够对I2C 总线上的数据进行自动收发，而CPU 只需要通过并口访问该接口电路中的有关寄存器就可以实现
与I2C 器件的数据交换，从而使整个系统的性能得到提高。
本设计用VHDL 硬件描述语言为工具，用ALTERA 公司的MAXPLUSⅡ软件进行编译仿真，下
载芯片为EPM7128SLC84-15。
2设计目标和要求
为了提高数据传送的速度，设计一个I2C 接口电路。
8051 不直接与I2C 器件交换数据，而是通过并口与该I2C 接口电路交换数据，I2C 总线上的数据传送
也通过该I2C 接口电路来完成。
从而通过CPU 的外部存储器读写指令就可实
现与I2C 器件的数据交换，使对串口的操作用并口的方式来实现。
在I2C 接口电路内部有一个控制寄存器CI0 和一个数据寄存器CI1，即I2C。