串行总线扩展技术

串行通信及串行扩展技术

传感器数据采集
01
串行通信接口可以连接各种模拟或数字传感器，实现数据的实
时采集和传输。
数据处理与存储
02
通过串行通信将采集到的数据传输到上位机或数据中心，进行
进一步的处理、分析和存储。
系统监控与控制
03
串行通信可用于实现远程监控和控制，提高数据采集系统的灵
活性和可维护性。
在远程监控系统中的应用
01
特点
传输线少，成本低，适用于远距离通信，但传送速度较慢。
串行通信协议
异步通信协议
以字符为单位进行传输，字符间通过特定的起始位和停止位进行同步。
同步通信协议
以数据块为单位进行传输，通过同步字符或同步信号实现收发双方的时钟同步。
串行通信接口标准
RS-232C接口标准
定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，采用负逻辑电平，最大传输距离约15米。
串行扩展工作原理
01
数据传输
在串行通信中，数据以位为单位进行传输。发送端将数据按位依次发送
到传输线上，接收端按位接收并组合成完整的数据。数据传输过程中需
要遵循特定的通信协议和数据格式。
02
同步与异步通信
串行通信可分为同步通信和异步通信两种方式。同步通信需要发送端和
接收端保持严格的时钟同步，而异步通信则通过特定的起始位和停止位
无线化发展趋势
无线通信技术的普
及
随着无线通信技术的不断发展，串行通信逐渐实现无线化，使得设备间的通信更加灵活方便。
低功耗无线通信技
术
针对低功耗设备的需求，发展出低功耗无线通信技术，延长设备的续航时间。
无线通信安全性增

SPI和IIC详解

SPI总线忙状态标志
支持可靠通信的硬件CRC 可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器：产生发送和接受请求
10
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11
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控制寄存器SPI_CR1
BIDIMODE 0 0 1 1
BIDIOE X X 1 0
RXONLY 0 1 X X
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STM32的SPI接口
3线全双工同步传输带或不带第三根双向数据线的双线单工同步传输 8或16位传输帧格式选择主或从操作
支持多主模式
8个主模式波特率预分频系数(最大为fPCLK/2) 从模式频率(最大为fPCLK/2) 主模式和从模式的快速通信主模式和从模式下均可以由软件或硬件进行NSS管理：主/从操作模式的动态改变可编程的时钟极性和相位可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前可触发中断的专用发送和接收标志
发送CRC寄存器(SPI_TXCRCR)
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SPI中断
中断响应函数 Void SPIx_IRQHandler(void) ;
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SPI配置流程
（1）配置引脚复用功能 i）使能spi时钟；
ii）设置引脚复用（2）设置工作模式
i）主/从设置
ii）数据格式设置
iii）时钟极性/相位设置 iv）单线/双线模式、接收/输出模式 v） CRC设置 vi）中断/DMA设置（3）使能SPI，开始工作
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初始化函数
20
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/
发送
接收函数

TWI,IIC总线

一、I2C串行总线的组成及工作原理
采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简
化、系统的体积减小、可靠性提高。同时，系统的更改和扩充极为容易。常用的串行扩展总线有： I2C （Inter IC BUS）总线、单总线（1－WIRE BUS）、SPI（Serial Peripheral Interface）总线及Microwire/PLUS 等。
c、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。
4、总线的寻址
I2C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。（1）寻址字节的位定义
D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。
每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。
由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的 “非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。
两线串行总线概述

两线串行总线采用TWI协议。对外只有两根线。一根数据线SDA，一根时钟线SCL。可与128个从设备连接。连接方式如图所示：

实验15 I2C 总线串行扩展——AT24C02存储器读写[共2页]

312 式。

液晶显示屏模块1602内置控制器44780，可显示2行，每行16个字符，要求单片机控制1602液晶显示模块分两行显示“Hello Welcome To Heilongjiang”，第一行显示“Hello Welcome”，第二行显示“To HeiLongJiang”。

2．实验目的（1）了解单片机控制字符型的工作原理和方法。

（2）掌握单片机如何来控制液晶显示屏模块1602。

（3）接口电路设计完毕后，编写程序控制字符型液晶显示屏模块1602的字符显示。

实验13 DAC0832的D/A转换实验 1．实验要求单片机输出的数字量D0～D7加到DAC0832的输入端，用虚拟直流电压表测量DAC0832的输出电流经运放LM358N的I/V转换后的电压值，并使用虚拟直流电压表查看输出电压的变化。

仿真运行，可看到虚拟直流电压表测量的电压在-2.5～0V范围内变化。

如果由于电压表图标太小，显示的电压值不清楚，可用鼠标滚轮放大整个电路原理图。

2．实验目的掌握单片机与DAC0832的接口设计和软件编程。

实验14 ADC0809的A/D转换实验 1．实验要求利用A/D转换器ADC0809 (Proteus元件库中没有ADC0809，可用库中与其兼容的ADC0808替代)，由输入模拟电压通过调整电位器阻值的大小提供给ADC0809模拟量输入，编写程序控制ADC0809将模拟量转换成二进制数字量，并送P1口输出来控制发光二极管亮或灭来表示转换结果的二进制代码显示转换完毕的数字量。

2．实验目的（1）掌握ADC0809的工作原理及基本性能。

（2）掌握单片机与ADC0809的接口设计。

（3）掌握软件编程控制单片机进行数据采集。

实验15 I2C总线串行扩展——AT24C02存储器读写1. 实验要求利用AT24C02、Proteus的I2C调试器，实现单片机读写存储器AT24C02的实验。

KEY1充当外部中断0中断源，当按下KEY1时，单片机通过I2C总线发送数据AAH给AT24C02，等发送数据完毕后，将数据AAH送P2口通过LED显示出来。

串行总线详解

单总线的时序
One-Wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型。所有的单总线命令序列（初始化，ROM 命令，功能命令）都是由这些基本的信号类型组成的。在这些信号中，除了应答脉冲外，其他均由主机发出同步信号，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。
数字化温度传感器DS18B20
One-Wire总线（单总线）
One-Wire总线是DALLAS公司研制开发的协议。它由一个总线主节点、一个或多个从节点组成系统，通过一根信号线对从芯片进行数据的读取。每一个符合 One-Wire协议的从芯片都有一个唯一的地址，包括48位的序列号、8位的家族代码和8位的CRC代码。主芯片对各个从芯片的寻址依据这64位的不同来进行。One-Wire总线利用一根线实现双向通信。因此其协议对时序的要求较严格，如应答等时序都有明确的时间要求。基本的时序包括复位及应答时序、写一位时序、读一位时序。在复位及应答时序中，主器件发出复位信号后，要求从器件在规定的时间内送回应答信号；在位读和位写时序中，主器件要在规定的时间内读回或写出数据。
-10.125
-25.0625 -55
1111 1111 0101 1110
1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000
FF5EH
FE6FH FC90H
2 I C-BUS
I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。
基本的数据传输格式
在图 4 和图 5 中，各种符号的意义为
：

S：起始位（START） SA：从机地址（Slave Address），7 位从机地址 W：写标志位（Write），1 位写标志 R：读标志位（Read），1位读标志 A：应答位（Acknowledge），1 位应答 /A：非应答位（Not Acknowledge），1位非应答 D：数据（Data），每个数据都必须是 8 位 P：停止位（STOP）阴影：主机产生的信号无阴影：从机产生的信号

利用SPI总线扩展串口

概述随着电子技术的发展，各类电子设备已不再满足于某一单一功能，而是朝着多功能集成的方向发展，随着功能的增加，一个系统就不仅仅需要一个主机，还需要与多个外设配合工作以实现附加功能，因此主机与外设就必然需要进行数据传输，而这种传输一般会采用串口的方式以节约IO资源和增加传输距离。

而普通单片机控制器只提供1个串口，远不能满足多外设通讯的需求，因此串口扩展成为系统常常需要解决的问题。

串口扩展的方案比较多，但开发工作量、硬件成本、可靠性、指标存在一定差异。

鉴于速度、通用性及成本的考虑，SPI总线的应用非常广泛，因此利用SPI接口进行串口扩展也不失为实现串口扩展的一个好方式。

成都国腾微电子有限公司的GM814X芯片正是针对SPI扩串口的需求而设计开发的串口扩展专用芯片，可以帮助系统设计工程师轻松通过MCU的SPI接口实现扩串口的功能。

扩串口方案SPI总线SPI总线是由摩托罗拉公司提出的一种同步串行外围设备接口总线，主要用于微控制器和外围设备之间的串行传输。

SPI也能在多主设备系统中进行处理器的通信。

外围设备可以是简单普通的TTL移位寄存器，也可以是复杂完整的从系统，如LCD显示驱动器、模数转换器系统等。

SPI总线包含四条线：串行时钟(SCK)，主输出从输入(MOSI)，主输入从输出(MISO)，从设备选择(SS)。

总线系统中所有的SCK、MOSI、MISO引脚要连在一起。

系统中只有一个SPI设备可作主设备，其他连在总线上的SPI设备就成了从设备。

主设备将它的SCK和MOSI、MISO分别连到从设备的SCK和MOSI、MISO端。

SPI串行接口主要用于短距离的主机与从机的数据传送，具有连接电路简单、使用方便等优点，可为实现主机和从机及从外围设备的通信提供了一种简单、易行的方案。

GM814XGM814X芯片可以将一个标准SPI接口扩展成2个(GM8141)或4个(GM8142)标准的UART，所有扩展串口能以各自独立设置的波特率，帧长和校验方式，同时和SPI接口进行数据收发。

通用串行总线的OTG技术

通用串行总线的OTG技术
程军;陈贵灿;姜飞
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2003(20)6
【摘要】通用串行总线的OTG技术是为了使USB接口技术应用于PC机以外的市场而在USB2.0规范基础上扩展出的新技术。

采用OTG技术可以使普通的数码设备实现相互之间的通信,大大方便了各种便携设备之间的数据交换。

本文介绍了OTG技术的特点,比较了OTG技术与普通USB的不同,并对其市场前景做了预测。

【总页数】4页(P54-56)
【关键词】通用串行总线;0TG技术;USB接口;计算机;外部设备
【作者】程军;陈贵灿;姜飞
【作者单位】西安交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP336
【相关文献】
1.通用串行总线在虚拟仪器技术中的应用研究 [J], 赵高毅
2.数字家庭技术专栏(11):USB OTG技术的发展现况 [J], 谦君
3.无线通用串行总线的双载波解调技术 [J], 杨润丰;陈晓宁;赵健
4.通用串行总线集线器或连接器产品对标技术方案 [J],
5.飞利浦推出首套USB OTG开发工具套件大幅度缩短采用Intel Xscale技术的便携式与掌上设备的USB OTG建置时间 [J],
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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）