電子系統(tǒng)設(shè)計中常用串行接口及其應(yīng)用

江朝暉+陸元洲+王鵬

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036）

摘要：串行接口是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的主流技術(shù)，然而串行總線種類較多，其協(xié)議、時序和器件較為繁雜，給學(xué)生理解、掌握和應(yīng)用帶來困難。本文在介紹串行接口基本概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析、比較了幾種最常用的串行擴(kuò)展接口和串行通信接口，并設(shè)計了一個基于單片機(jī)的串口應(yīng)用小系統(tǒng)。本文對電子信息專業(yè)本科生學(xué)習(xí)和應(yīng)用具有參考價值。

關(guān)鍵詞：電子系統(tǒng)設(shè)計；串行擴(kuò)展接口；串行通信接口；應(yīng)用實(shí)例

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0050-03

一、引言

在電子系統(tǒng)中，外設(shè)器件、微處理器、上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換有并行和串行兩種基本通信模式。總的來說，串行通信是指數(shù)據(jù)在時鐘的同步作用下逐位傳送，與并行模式相比，具有硬件連接簡單、可靠性高、擴(kuò)展性好、電路板面積較小、成本較低、適用于長距離應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，隨著CPU、芯片的工作頻率提高，以及串行總線的功能增強(qiáng)，數(shù)據(jù)吞吐容量小、信號傳輸較慢等缺點(diǎn)也得到逐步改善，因此成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的主流技術(shù)[1，2]。然而串行總線種類較多，其協(xié)議、時序和器件較為繁雜，給學(xué)生的理解、掌握和應(yīng)用帶來困難[3]。本文著重分析、比較了幾種最常用的串行擴(kuò)展接口和串行通信接口技術(shù)，并設(shè)計了一個基于單片機(jī)的串口應(yīng)用小系統(tǒng)，供電子信息工程專業(yè)本科生學(xué)習(xí)、參考[4，5]。

二、常用串行接口總線及比較[1，2]

串行接口是一個總體概念，一般又劃分為器件級的串行擴(kuò)展接口和設(shè)備級的串行通信接口。串行擴(kuò)展接口是指微處理器與外設(shè)芯片之間通過串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息的交互，最常見的串口類型有1-Wire總線、SPI總線和I2C總線。目前集成了上述串口總線的芯片種類眾多，包括傳感器芯片、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、實(shí)時時鐘RTC、數(shù)據(jù)存儲器、專用DDS芯片等等，高檔的單片機(jī)、嵌入式微處理器一般都有專門的SPI、I2C總線擴(kuò)展口，兩者之間的硬件連接和軟件編程較為簡單。而常用的89C51、52等低檔單片機(jī)由于沒有集成SPI、I2C總線接口，需要通過通用I/O口與串口器件連接，并利用軟件模擬產(chǎn)生SPI、I2C等總線時序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。表1簡要比較了三種常用的串行擴(kuò)展接口及其特點(diǎn)。

單總線（1-Wire）是Dallas公司推出的外圍串行擴(kuò)展總線，采用單根信號線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸。單總線技術(shù)有三個顯著的特點(diǎn)：單總線芯片通過一根信號線進(jìn)行地址信息、控制信息和數(shù)據(jù)信息的傳送；每個單總線芯片都具有全球唯一的訪問序列號，當(dāng)多個單總線器件接入到同一單總線上時，對所有單總線芯片的訪問都通過該唯一序列號區(qū)分；單總線芯片在工作過程中可以不要外接電源，而通過它本身具有的“總線竊電”技術(shù)從信號線上獲取電源。單總線結(jié)構(gòu)如圖1。

單總線器件的時序不盡相同。以典型單總線器件溫濕度傳感器DHT22來說，通信格式為：微處理器把總線SDA拉低至少800μs，通知傳感器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；傳感器把SDA拉低80μs再接高80μs響應(yīng)；微處理器通過SDA一次性讀出40位數(shù)據(jù)，高位在前，濕度、溫度分辨率都是16Bit，且讀出值都是實(shí)際值的10倍，其中溫度最高位Bit15等于1表示負(fù)溫度、等于0表示正溫度，8位校驗位=濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位。串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線是原Motorola公司推出的一種同步串行外設(shè)接口總線，使用4條信號線，一般是單主結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)中只有一個主器件（通常是微處理器），其余的外圍器件均為從器件。在點(diǎn)對點(diǎn)通信時，不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，具有簡單高效的特點(diǎn)；在多個從器件系統(tǒng)中，每個從器件需要獨(dú)立的片選或使能信號。SPI兩端在同一個時鐘下工作，是一種真正的同步方式，不同于異步串行通信（UART）的兩端有各自的串行通信時鐘，且傳輸速率最高達(dá)數(shù)十MHZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于UART。SPI總線結(jié)構(gòu)及典型時序如圖2所示。

I2C總線（Inter-Integrated-Circuit）是一種由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，由雙向串行時鐘線SCL和雙向串行數(shù)據(jù)線SDA組成，用于連接微處理器及其外設(shè)器件，最主要的優(yōu)點(diǎn)是簡單、高效。I2C是真正的多主機(jī)總線，每個連接到總線上的器件都有唯一的地址，器件識別由硬件設(shè)置和軟件尋址組成，不需要片選信號。I2C總線的時序較為復(fù)雜，規(guī)定了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)有效位、起始信號、終止信號和應(yīng)答信號。傳送的字節(jié)數(shù)沒有限制，但每個字節(jié)必須是8位，且高位在前，第9位是應(yīng)答信號，應(yīng)答時鐘由主器件產(chǎn)生，而應(yīng)答位則由接收器件產(chǎn)生。I2C總線結(jié)構(gòu)及基本時序如圖3所示。

設(shè)備級的串行通信是指微處理器之間、微處理器與上位機(jī)之間通過串行總線和接口進(jìn)行信息交換。最常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C和RS-485。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)聯(lián)合會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，適合的數(shù)據(jù)傳送速率為0～20Kbps。RS-485克服了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)，具有良好的抗噪聲干擾性能、較長的傳輸距離和多站連接等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在分布式測控系統(tǒng)中。兩者的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

三、基于單片機(jī)的串口應(yīng)用實(shí)例

為了便于理解和掌握，設(shè)計了一個基于單片機(jī)的串口應(yīng)用小系統(tǒng)。采用單總線接口的傳感器芯片DHT22實(shí)時采集溫、濕度，SPI總線接口的DS1302時鐘芯片獲取實(shí)時時間和日期，I2C總線接口的AT24C02 E2PROM進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。以STC12C5A60S2單片機(jī)為CPU，利用軟件模擬產(chǎn)生串口總線時序，并通過RS-232C接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC的通信。電路原理圖如圖4所示，鍵盤、LCD和電源電路略去。核心軟件是DHT22、DS1302和AT24C02的讀寫，參考器件手冊中的時序要求編寫。

四、結(jié)束語

各種外設(shè)器件、微處理器、上位機(jī)之間的串行接口與通信已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用的主流技術(shù)。本文介紹了串行接口的基本概念，歸納、比較了最常用的1-Wire、SPI、I2C接口總線以及RS-232C、RS-485通信總線的特點(diǎn)，并設(shè)計了一個基于單片機(jī)的串口應(yīng)用實(shí)例，包括1-Wire接口的溫濕度采集、SPI接口的實(shí)時時鐘、I2C接口的E2PROM存儲以及RS-232C串口通信。本文具有較強(qiáng)的針對性和實(shí)用性，可幫助初學(xué)者深入理解和靈活運(yùn)用，提高實(shí)踐、創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫曉云，劉東輝，劉朝英.接口與通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]賈立新，王涌，陳怡.電子系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)踐（第3版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[3]江朝暉.電子系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)的問題分析與方法探討[J].教育教學(xué)論壇，2013，（3）：80-81.

[4]李俊萩，張晴暉，呂丹桔，等.電子信息工程專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探索[J].教育教學(xué)論壇，2016，（7）：117-119.

[5]江朝暉.地方性農(nóng)業(yè)高校電子信息類人才創(chuàng)新培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐[J]，高教學(xué)刊，2015，（20）：34-35.