摘? 要: 介紹一種用于系統內芯片級串行擴展的應用研發平臺。該平臺包括PC機構成的上位機" title="上位機">上位機和單片機構成的下位機" title="下位機">下位機。上位機提供了良好的人機交互界面;下位機采用虛擬器件、虛擬接口,通過單片機軟件和I/O" title="I/O">I/O口線模擬出多種串行接口" title="串行接口">串行接口的訪問時序邏輯。借助這一平臺,可方便地實現對具有I2C、SPI、Microware、One-wire等接口的從器件芯片的操作,簡化了系統設計前的測試工作。
關鍵詞: 串行擴展? 平臺? 時序
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應用串行接口芯片擴展系統時,在初步選擇了串行接口的芯片后,為了對芯片的資源更好地了解,開發者一般在系統設計前搭建一個簡單的硬件電路并編制相應的軟件對其測試,待性能驗證后再確定最終的設計方案。本文根據這一需要設計了一個用于串行總線芯片測試的實驗平臺。該平臺以PC機為人機接口、采用單片機產生芯片串行通信時序。應用這一平臺可以大大簡化芯片使用前的測試過程。這一平臺也為單片機串行擴展的初學者提供了快捷的學習工具。本平臺目前集成了SPI、One-wire、Microware、I2C四種串行接口,在今后的使用中,可根據需要增加串行接口的種類。
1 串行擴展平臺的結構
SPI、One-wire、Microware、I2C是目前單片機應用系統中最常用的幾個串行擴展接口。具有I2C和One-wire接口的外圍器件都有自己的地址編號,單片機通過軟件選通器件;而SPI和Microware擴展接口芯片首先要通過單片機I/O口線選通其片選腳,然后才能對其進行操作。這四種串行擴展接口都有不同的時序要求,但每一種總線的基本時序要求都是一致的,對芯片的操作無非是讀出或寫入,所不同的是具體的數據字節內容,只要按照各自的時序和命令操作,即可實現芯片功能。本文的串行擴展平臺就是基于這一方法搭建的。
串行擴展平臺由兩部分組成:上位機部分由PC機構成,具有人機接口界面,操作起來方便直接;下位機部分由單片機及擴展接口電路構成,并通過RS-232接口與上位機通信。
下位機的核心是AT89C51單片機。單片機本身并沒有SPI、One-wire、Microware、I2C接口,使用虛擬器件技術,在單片機內采用模塊化設計思想固化四種接口的串行訪問子程序" title="子程序">子程序,通過軟件調用完成這幾種串行擴展的時序,用單片機的普通I/O口線模擬出四種串行接口,在下位機電路板上留有較大的通用板空間或用標準的連接器將串行接口引出,便于與待測芯片連接。AT89C51單片機沒有RS-232接口,但它的UART口可以采用MAX232等芯片擴展出簡單的RS-232接口,與上位機的RS-232接口相接。下位機的結構如圖1所示。
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測試時,將待測芯片與對應的串行接口相連,操作者在上位機將訪問命令和數據通過RS-232接口下傳給下位機;下位單片機對其分析后調用相應的時序模擬程序訪問待測芯片,并將結果通過RS-232接口上傳給上位機,在上位機顯示。從整個測試過程來看,只要關心命令和數據的輸入和輸出,不必關心具體時序,近似一種透明的操作。測試后,只需對單片機中的子程序稍加裁減,即可移植到實際應用軟件中,為開發提供了方便。下面將分別介紹這四種串行通信接口的實現。
2 四種串行通信接口的實現
在串行擴展中,可以根據接口主器件的數量分為單主器件系統和多主器件系統。其中單主器件系統應用最普遍。在單主器件系統中,具有一個主控制器件和多個從器件,數據的傳送由主器件控制。主器件啟動和停止數據的發送,提供同步時鐘信號。在應用中使用種類最多的是功能繁多的從器件。本文的串行擴展平臺主要針對這些從器件應用設計。所以該平臺采用單主器件系統結構,只考慮用單片機的通用I/O口線模擬主器件訪問從器件的時序邏輯。
2.1 I2C總線接口時序
I2C串行總線是Philips公司提出的一種板內芯片間串行總線。它用兩根連線即可方便地實現外圍器件擴展。圖2給出了主器件對從器件訪問的基本讀寫時序,SDA為數據線,SCL為時鐘線。
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I2C總線上數據傳送的基本單位為字節,采用低位在前的格式。主從器件之間一次傳輸的數據稱為一幀,由啟動信號、若干個數據字節和應答位以及停止信號組成。可以看出,I2C的主要命令只有讀、寫兩種情況,雖然讀寫的字節根據具體器件的不同而不同,但其時序關系不會發生改變。根據這一點,下位機只要具備I2C的基本時序即可。這些基本時序包括:啟動、寫字節、讀字節、應答位、停止信號,并可以組合成兩個子程序:讀N字節子程序、寫N字節子程序。
2.2 串行外圍接口SPI
SPI(同步串行外設接口)由Motorola公司提出,它是一種三線同步接口,分別為同步信號、輸入信號和輸出信號。另外每個擴展芯片還需要一根片選線,主器件通過片選線選通與其通信的從器件。圖3給出了SPI的時序圖。其中,SCK為同步時鐘脈沖,SS為片選線,MOSI為主器件的數據輸出和從器件的數據輸入線,MISO為主器件的數據輸入線和從器件的數據輸出線。
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SPI是全雙工的,即數據的發送和接收可同時進行。如果僅對從器件寫數據,主器件可以丟棄同時讀入的數據;反之,如果僅讀數據,可以在命令字節后,寫入任意數據。數據傳送以字節為單位,并采用高位在前的格式。SPI接口的通信程序可簡化為:寫讀N字節子程序。
2.3 Microware串行通訊接口
NS公司的Microware是串行同步雙工通訊接口,由一根數據輸出線、一根數據輸入線和一根時鐘線組成。所有從器件的時鐘線連接到同一根SK線上,主器件向SK線發送時鐘脈沖信號,從器件在時鐘信號的同步沿輸出/輸入數據。主器件的數據輸出線DI和所有從器件的數據輸入線相接,從器件的數據輸出線都接到主器件的數據輸入線DO上。與SPI接口類似,每個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給出了主器件對從器件操作的基本時序,包括寫起始位、寫操作碼和讀字節,數據交換采用高位在前的格式。圖4中給出了讀兩個字節時的情況,在主器件寫完起始位和操作碼后,從器件會應答一個 “0”。該應答位在主器件寫完操作碼的最后一位時給出。在本文中,主器件速度較慢,可以不考慮等待該位。Microware接口的通用子程序有:啟動子程序,讀N字節子程序、寫N字節子程序。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。
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2.4 One-wire總線
One-wire總線是DALLAS公司研制開發的一種協議。它由一個總線主節點、一個或多個從節點組成系統,通過一根信號線對從芯片進行數據的讀取。每一個符合One-wire協議的從芯片都有一個唯一的地址,包括48位的序列號、8位的家族代碼和8位的CRC代碼。主芯片對各個從芯片的尋址依據這64位的不同來進行。
One-wire總線利用一根線實現雙向通信。因此其協議對時序的要求較嚴格,如應答等時序都有明確的時間要求?；镜臅r序包括復位及應答時序、寫一位時序、讀一位時序,如圖5和圖6所示。
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在復位及應答時序中,主器件發出復位信號后,要求從器件在規定的時間內送回應答信號;在位讀和位寫時序中,主器件要在規定的時間內讀回或寫出數據。為了與其它模擬接口的子程序在結構形式上盡量一致,在One-wire模擬時序程序中把位讀和位寫時序拓延,形成低位在前的字節讀寫時序,寫一個字節的時序如圖7所示。最終形成三個子程序:復位及應答子程序、寫N個字節子程序和讀N個字節子程序。
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2.5 下位機軟件
從功能上來說,下位機軟件的作用是接收上位機發出的命令,分析命令,根據命令對各時序子程序進行組合和調用,形成正確的訪問時序邏輯;如果有返回數據,還要將返回數據回送上位機顯示。前面已經對四種串行接口的模擬時序子程序進行了簡要介紹,由于篇幅所限,無法對每個子程序進行詳細的說明,進一步的時序說明,可以查閱有關的參考文獻和相關手冊。這里只給出下位機軟件總體流程,如圖8所示。有關上位的命令在上位機與其通信的協議中介紹。
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3 上位機通信軟件的實現
上位PC機作為人機交互界面,負責向下位機發送經過人工分析的數據字節,這為開發者提供了對芯片的透明操作。即在對某一類芯片進行操作時并不關心中間具體的過程,只須分析數據,形成相應的數據幀,發送給下位機,即可完成對芯片的操作。上位機將操作的芯片分成四類(I2C、SPI、Microware、One-wire),用一個字節進行標識(0、1、2、3)。如果只進行寫操作,則上位機發送完寫入字節后,不操作;如果進行讀操作,需重新設定發送的字節并等待下位機返回的數據字節。在Microware和One-wire協議中須發送起始位或復位信號的地方可以用特殊字節標識。上位機向下位機發送的數據幀由起始字節、通信選定字節、讀/寫命令字節、字節數和數據字節組成。圖9給出了在讀和寫兩種情況下,上位機發送的數據幀和下位機返回數據幀的組成。
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本文討論的芯片級串行總線擴展應用研發平臺在實際應用中取得了良好的效果,縮短了新器件功能測試的時間,縮短了新產品的開發周期,并可根據需要增加串行接口種類。另外,這一平臺也為初學者全面了解串行擴展技術提供了良好的途徑。
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參考文獻
1 尤一鳴.單片機總線擴展技術. 北京:北京航空航天大學出版社,1993
2 任志斌,車長征.串行外設接口SPI的應用.信息技術,2002;(2)
3 DALLAS數據手冊.Dallas Semiconductor Corporation,1998
4 何立民.I2C總線應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社,1995