串行扩展：单片机原理与应用

1.串行扩展的特点

串行扩展的优点：

（1）最大程度发挥最小系统的资源功能。原来由并行扩展占用的P0口、P2口资源，直接用于I/O口。

（2）简化连接线路，缩小印板面积。

（3）扩展性好，可简化系统的设计。

串行扩展的缺点为数据吞吐容量较小，信号传输速度较慢，但随着CPU芯片工作频率的提高，以及串行扩展芯片功能的增强，这些缺点将逐步淡化。

2.串行扩展方式分类

串行扩展方式可分为一线制、二线制、三线制、移位寄存器串行扩展、USB和CAN 6种。

（1）一线制。一线制的典型代表为Dallas公司推出的单总线（1-wire），用于便携式仪表和现场监控系统。1-wire总线是利用一根线实现双向通信，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1-wire协议的从芯片都有一个唯一的地址，包括8位分类码、48位的序列号和8位CRC代码。主芯片对各个从芯片的寻找依据这64位的不同来进行。单总线节省I/O引脚资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护。图7-50为单总线构成的分布式温度系统示意图。

图7-50　单总线构成的分布式温度系统示意图

（2）二线制。二线制的典型代表为philips公司推出的I2 C总线（Intel Integrated Circuit BUS）。它用两根线实现数据传送，可以极为方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2 C总线是二线制，采用器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有简单灵活的扩展方法。I2 C总线简单，结构紧凑，易于实现模块化和标准化。I2 C总线传送速率主要标准S模式（100kbit/s）和快速F模式（400kbit/s）两种。

具有I2 C总线结构的器件，不论SRAM、E2 PROM、ADC/DAC、I/O口或单片机，均可通过SDA、SCL连接（同名端相连）。无I2 C总线结构的器件，如LED/LCD显示器、键盘、码盘、打印机等也可通过具有I2 C总线结构的I/O接口电路成为串行扩展器件。图7-51为I2 C总线扩展示意图。

80C51只能采用虚拟I2 C总线方式，并且只能用于单主系统，虚拟I2 C总线接口可用通用I/O口中任一端线担任。

在C8051F中的SMBus串行总线与I2 C完全兼容。SMBus总线采用了器件地址硬件设置的方法，通过软件寻址，完全避免了用片选线对器件的寻址方法，从而使硬件系统扩展简单灵活。SMBus总线传输中的所有状态都生成相应的状态码，主机依照状态码自动地进行总线管理，用户只要在程序中装入这些标准处理模块，根据数据操作要求完成总线的初始化，启动总线就能自动完成规定的数据传送操作。SMBus也只用串行数据线SDA、串行时钟线SCL两根线就可以实现同步串行接收和发送。SMBus发送和接收只能分时进行；SDA和SCL必须接上拉电阻；工作电压3.0～5.0V。(www.xing528.com)

（3）三线制。三线制（不包括片选线）主要有SPI和Micro wire/PLUS两种。图7-52为两种三线制串行扩展示意图。

图7-51　I2 C总线扩展示意图

图7-52　两种三线制串行扩展示意图

1）SPI（Serial Peripheral Interface）。SPI总线是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口。允许单片机与各种外围设备以同步串行方式进行通信。其外围设备种类繁多：最简单的TTL移位寄存器到复杂的LCD显示驱动器、网络控制器等。

SPI总线是三线制，SPI的时钟线是SCK，数据线MOSI（主发从收）、MOSO（主收从发），主从器件的MOSI和MOSO是同名端相连。可直接与多种标准外围器件直接接口，在SPI从设备较少而没有总线扩展能力的单片机系统中使用特别方便。即使在有总线扩展能力的系统中采用SPI设备也可以简化电路设计，省掉很多常规电路中的接口器件，从而提高了设计的可靠性。

2）Micro wire/PLUS。Microware总线是由NS公司推出的串行外设接口，它是由数据输出（SO）线、数据输入（SI）线和时钟（SK）三线制组成。所有从器件的时钟线连接到同一根SK线上，主器件向SK线发送时钟脉冲信号，从器件在时钟信号的同步沿输出/输入数据。主器件的数据输出线SO和所有从器件的数据输入线相接，从器件的数据输出线都接到主器件的数据输入线SI上。

由于该两类三线制器件无法通过数据传输线寻址，因此，必须由单片机I/O线单独寻址，连到扩展器件的片选端（若只扩展一片，可将扩展芯片接地）。

（4）MCS-51单片机的移位寄存器串行扩展。MCS-51的内部串行口有4种工作方式，其中方式0为同步移位寄存器工作方式。通过该移位寄存方式，可将串行数据并行输出，也可以将并行数据串行输入。

MCS-51的串行方式0时，串行口作为同步移位寄存器使用。TXD端（P3.1）发出移位脉冲，频率为f osc/12，RXD端（P3.0）输入、输出数据。

（5）USB（Universal Serial Bus）。USB总线是Compaq、Intel、Microsoft、NEC等公司联合制定的一种计算机串行通信协议。USB比较于其他传统接口的一个优势是即插即用的实现，即插即用（Plug-and-Play）也称为热插拔（Hot Plugging）。数据传输速度快，USB1.1接口的最高传输率可达12Mbit/s；USB2.0接口的最高传输率可达480Mbit/s。扩展方便，使用USB Hub扩展，可以连接127个USB设备，连接的方式十分灵活。

（6）CAN（Controller Area Network）。CAN总线是德国Bosch公司最先提出的多主机局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置（ECU）之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备。

在由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。