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串行擴(kuò)展應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)
摘要：摘要一種用于系統(tǒng)內(nèi)芯片級(jí)串行擴(kuò)展的應(yīng)用研發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)包括PC機(jī)構(gòu)成的上位機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的下位機(jī)。上位機(jī)提供了良好的人機(jī)交互界面；下位機(jī)采用虛擬器件、虛擬接口，通過單片機(jī)軟件和I/O口線模擬出多種串行接口的訪問時(shí)序邏輯。借助這一平臺(tái)，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)具有I2C、SPI、Microware、One-wire等接口的從器件芯片的操作，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的測(cè)試工作。關(guān)鍵詞：串行擴(kuò)展 平臺(tái) 時(shí)序
應(yīng)用串行接口芯片擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)，在初步選擇了串行接口的芯片后，為了對(duì)芯片的資源更好地了解，開發(fā)者一般在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的硬件電路并編制相應(yīng)的軟件對(duì)其測(cè)試，待性能驗(yàn)證后再確定最終的設(shè)計(jì)方試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)以PC機(jī)為人機(jī)接口、采用單片機(jī)產(chǎn)生芯片串行通信時(shí)序。應(yīng)用這一平臺(tái)可以大大簡(jiǎn)化芯片使用前的測(cè)試過程。這一平臺(tái)也為單片機(jī)串行擴(kuò)展的初學(xué)者提供了快捷的學(xué)習(xí)工具。本平臺(tái)目前集成了SPI、One-wire、Microware、I2C四種串行接口，在今后的使用中，可根據(jù)需要增加串行接口的種類。
1 串行擴(kuò)展平臺(tái)的結(jié)構(gòu)
SPI、One-wire、Microware、I2C是目前單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的幾個(gè)串行擴(kuò)展接口。具有I2C和One-wire接口的外圍器件都有自己的地址編號(hào)，單片機(jī)通過軟件選通器件；而SPI和Microware擴(kuò)展接口芯片首先要通過單片機(jī)I/O口線選通其片選腳，然后才能對(duì)其進(jìn)行操作。這四種串行擴(kuò)展接口都有不同的時(shí)序要求，但每一種總線的基本時(shí)序要求都是一致的，對(duì)芯片的操作無非是讀出或?qū)懭�，所不同的是具體的數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)容，只要按照各自的時(shí)序和命令操作，即可實(shí)現(xiàn)芯片功能。本文的串行擴(kuò)展平臺(tái)就是基于這一方法搭建的。
串行擴(kuò)展平臺(tái)由兩部分組成：上位機(jī)部分由PC機(jī)構(gòu)成，具有人機(jī)接口界面，操作起來方便直接；下位機(jī)部分由單片機(jī)及擴(kuò)展接口電路構(gòu)成，并通過RS-232接口與上俠機(jī)通信。
下位機(jī)的核心是AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)本身并沒有SPI、One-wire、Microware、I2C接口，使用虛擬器件技術(shù)，在單片機(jī)內(nèi)采用模塊化設(shè)計(jì)思想固化四種接口的串行訪問子程序，通過軟件調(diào)用完成這幾種串行擴(kuò)展的時(shí)序，用單片機(jī)的普通I/O口線模擬出四種串行接口，在下位機(jī)電路板上留有較大的通用板空間或用標(biāo)準(zhǔn)的連接器將串行接口引出，便于與待測(cè)芯片連接。AT89C51單片機(jī)沒有RS-232接口，但它的UART口可以采用MAX232等芯片擴(kuò)展出簡(jiǎn)單的RS-232接口，與上位機(jī)的RS-232接口相接。下位機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
測(cè)試時(shí)，將待測(cè)芯片與對(duì)應(yīng)的串行接口相連，操作者在上位機(jī)將訪問命令和數(shù)據(jù)通過RS-232接口下傳給下位機(jī)；下機(jī)單片機(jī)對(duì)其分析后調(diào)用相應(yīng)的時(shí)序模擬程序訪問待測(cè)芯片，并將結(jié)果通過RS-232接口上傳給上位機(jī)，在上位機(jī)顯示。從整個(gè)測(cè)試過程來看，只要關(guān)心命令和數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不必關(guān)心具體時(shí)序，近似一種透明的操作。測(cè)試后，只需對(duì)單片機(jī)中的子程序稍加裁減，即可移植到實(shí)際應(yīng)用軟件中，為開發(fā)提高了方便。下面將分別分別這四種串行通信接口的實(shí)現(xiàn)。
2 四種串行通信接口的實(shí)現(xiàn)
在串行擴(kuò)展中，可以根據(jù)接口主器件的數(shù)量分為單主器件系統(tǒng)和多主器件系統(tǒng)。其中單主器件系統(tǒng)應(yīng)用最普遍。在單主器件系統(tǒng)中，具有一個(gè)主控制器件和多個(gè)從器件，數(shù)據(jù)的傳送由主器件控制。主器件啟動(dòng)和停止數(shù)據(jù)的發(fā)送，提供同步時(shí)鐘信號(hào)。在應(yīng)用中使用種類最多的是功能繁多的從器件。本文的串行擴(kuò)展平臺(tái)主要針對(duì)這些從器件應(yīng)用設(shè)計(jì)。所以該平臺(tái)采用單主器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只考慮用單片機(jī)的通用I/O口線模擬主器件訪問從器件的時(shí)序邏輯。
2.1 I2C總線接口時(shí)序
I2C串行總線是Philips公司推出的一種板內(nèi)芯片間串行總線。它用兩根連線即可方便地實(shí)現(xiàn)外圍器件擴(kuò)展。圖2給出了主器件對(duì)從器件訪問的基本讀寫時(shí)序，SDA為數(shù)據(jù)線，SCL為時(shí)鐘線。
I2C總線上數(shù)據(jù)傳送的基本單位為字節(jié)，采用低位在前的格式。主從器件之間一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為一幀，由啟動(dòng)信號(hào)、若干個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和應(yīng)答位以及停止信號(hào)組成�？梢钥闯�，I2C的主要命令只有讀、寫兩種情況，雖然讀
寫的字節(jié)根據(jù)具體器件的不同而不同，但其時(shí)序關(guān)系不會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)這一點(diǎn)，下位機(jī)只要具備I2C的基本時(shí)序即可。 這些基本時(shí)序包括：?jiǎn)?dòng)、寫字節(jié)、讀字節(jié)、應(yīng)答位、停止信號(hào)，并可以組合成兩個(gè)字程序：讀N字節(jié)子程序、寫N字節(jié)子程序。
2.2 串行外圍接口SPI
SPI（同步串行外設(shè)接口）由Motorola公司推出，它是一種三線同步接口，分別為同步信號(hào)、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。另外每個(gè)擴(kuò)展芯片還需要一根片選線，主器件通過片選線通與其通信的從器件。圖3給出了SPI的時(shí)序圖。其中，SCK為同步時(shí)鐘脈沖，SS為片選線，MOSI為主器件的數(shù)據(jù)輸出和從器件的數(shù)據(jù)輸入線，MISO為主器件的數(shù)據(jù)輸入線和從器件的數(shù)據(jù)輸出線。
圖5 One-wire總線復(fù)位和應(yīng)答時(shí)序
SPI是全雙工的，即數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可同時(shí)進(jìn)行。如果僅對(duì)從器件寫數(shù)據(jù)，主器件可以丟棄同時(shí)讀入的數(shù)據(jù)；反之，如果僅讀數(shù)據(jù)，可以在命令字節(jié)后，寫入任意數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位，并采用高位在前的格式。SPI接口的通信程序可簡(jiǎn)化的：寫讀N字節(jié)子程序。
2.3 Microware串行通信接口
NS公司的Microware是串行同步雙工通訊接口，由一根數(shù)據(jù)輸出線、一根數(shù)據(jù)輸入線和一根時(shí)鐘線組成。所有從器件的時(shí)鐘線連接到同一根SK線上，主器件向SK線發(fā)送時(shí)鐘脈沖信號(hào)，從器件在時(shí)鐘信號(hào)的同步沿輸出/輸入數(shù)據(jù)。主器件的數(shù)據(jù)輸出線DI和所有從器件的數(shù)據(jù)輸入線相接，從器件的數(shù)據(jù)輸出線都接到主器件的數(shù)據(jù)輸入線DO上。與SPI接口類似，每個(gè)從器件也都需要另外提供一條片選通線CS（注意：它采用高選通方式）。
圖4給出了主器件對(duì)從器件操作的基本時(shí)序，包括寫起始位、寫操作碼和讀字節(jié)，數(shù)據(jù)交換采用高位在前的格式。圖4中給出了讀兩個(gè)字節(jié)時(shí)的情況，在主器件寫完起始位和操作碼后，從器件會(huì)應(yīng)答一個(gè)“0”。該應(yīng)答位在主器件寫完操作碼的最后一位時(shí)給出。在本文中，主器件速度較慢，可以不考慮等待該閏。Microware接口的通用子程序有：?jiǎn)?dòng)子程序，讀N字節(jié)子程序、寫N字節(jié)子程序。不同的Microware器件支持的起始位、操作碼有所不同，但可人為組成合適的字節(jié)。
2.4 One-wrie總線
One-wire總線是DALLAS公司研制開發(fā)的一種協(xié)議。它由一個(gè)總線主節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成系統(tǒng)，通過一根信號(hào)線對(duì)從芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。每一個(gè)符合One-wire協(xié)議的從芯片都有一個(gè)唯一的地址，包括48位的序列號(hào)、8位的家庭代碼和8位的CRC代碼。主芯片對(duì)各個(gè)從芯片的尋找依據(jù)這64位的不同來進(jìn)行。
圖6 one-wire總線位寫和位讀時(shí)序 圖7 one-wire總線寫一個(gè)字節(jié)時(shí)序圖
One-wire總線利用一根線實(shí)現(xiàn)雙向通信。因此其協(xié)議對(duì)時(shí)序的要求較嚴(yán)格，如應(yīng)答等時(shí)序都有明確的時(shí)間要求�；镜臅r(shí)序包括復(fù)位及應(yīng)答時(shí)序、寫一位時(shí)序、讀一位時(shí)序，如圖5和圖6所示。
在復(fù)位及應(yīng)答時(shí)序中，主器件復(fù)位信號(hào)后，要求從器件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)送回應(yīng)答信號(hào)；在位讀和位寫時(shí)序中，主器件要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)讀回或?qū)懗鰯?shù)據(jù)。為了與其它模擬接口的子程序在結(jié)構(gòu)形式上盡量一致，在One-wire模擬時(shí)序程序中把位讀和位寫時(shí)序拓延，形成像位在前的字節(jié)讀寫時(shí)序，寫個(gè)字節(jié)的時(shí)序如圖7所示。最終形成三個(gè)字程序；復(fù)位及應(yīng)答子程序、寫N個(gè)字節(jié)子程序和讀N個(gè)字節(jié)子程序。
2.5 下位機(jī)軟件
從功能上來說，下位機(jī)軟件的作用是接收位機(jī)發(fā)出的命令，分析命令，根據(jù)命令對(duì)各時(shí)序子程序進(jìn)行組合和調(diào)用，形成正確的訪問地序邏輯；如果有返回?cái)?shù)據(jù)，還要將返回?cái)?shù)據(jù)回送上位機(jī)顯示。前面已經(jīng)對(duì)四種串行接口的模擬時(shí)序子程序進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，由于篇幅所限，無法對(duì)每個(gè)子程序進(jìn)行詳細(xì)的說明，進(jìn)一步的時(shí)序說明，可以查閱有關(guān)的參考文獻(xiàn)和相關(guān)手冊(cè)。這里只給出下位機(jī)軟件總體流程，如圖8所示。有關(guān)上位的命令在上位機(jī)與其通信的協(xié)議中介紹。
圖8 下位機(jī)軟件流程圖
3 上位機(jī)通信軟件的實(shí)現(xiàn)
上位PC機(jī)作為人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)向下位機(jī)發(fā)送經(jīng)過人工分析的數(shù)據(jù)字節(jié)，這為開發(fā)者提供了對(duì)芯片的透明操作。即在對(duì)某一類芯片進(jìn)行操作時(shí)并不關(guān)心中間具體的過程，只須分析數(shù)據(jù)，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給下位機(jī)，即可完成對(duì)芯片的操作。上位機(jī)將操作的芯片分成四類（I2C、SPI、Microware、One-wire），用一個(gè)字節(jié)進(jìn)行標(biāo)識(shí)（0、1、2、3）。如果只進(jìn)行寫操作，則上位機(jī)發(fā)送完寫入字節(jié)后，不操作；如果進(jìn)行讀操作，需重新設(shè)定發(fā)送的字節(jié)并等待下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)字節(jié)。在Microware和One-wire協(xié)議中須發(fā)送起始位或復(fù)位信號(hào)的地方可以用特殊字節(jié)標(biāo)識(shí)。上位機(jī)向下位發(fā)送的數(shù)據(jù)幀由起始字節(jié)、通信選定字節(jié)、讀/寫命令字節(jié)、字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)字節(jié)組成。圖9給出了在讀和寫兩種情況下，上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和下位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)幀的組成。
本文討論的芯片級(jí)串行總線擴(kuò)展應(yīng)用研發(fā)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，縮短了新器件功能測(cè)試的時(shí)間，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，并可根據(jù)需要增加串行接口種類。另外，這一平臺(tái)也為初學(xué)者全面了解串行擴(kuò)展技術(shù)提供了良好的途徑。
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