摘? 要: 介紹一種用于系統(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)" title="上位機(jī)">上位機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的下位機(jī)" title="下位機(jī)">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(guò)單片機(jī)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(wèn)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
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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(kāi)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)方案。本文根據(jù)這一需要設(shè)計(jì)了一個(gè)用于串行總線芯片測(cè)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(guò)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(lèi)。
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(guò)軟件選通器件;而SPI和Microware擴(kuò)展接口芯片首先要通過(guò)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(wú)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(lái)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(guò)RS-232接口與上位機(jī)通信。
下位機(jī)的核心是AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)本身并沒(méi)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(wèn)子程序" title="子程序">子程序,通過(guò)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(méi)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。
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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(wèn)命令和數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232接口下傳給下位機(jī);下位單片機(jī)對(duì)其分析后調(diào)用相應(yīng)的時(shí)序模擬程序訪問(wèn)待測(cè)芯片,并將結(jié)果通過(guò)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(guò)程來(lái)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(kāi)發(fā)提供了方便。下面將分別介紹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(lèi)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(wèn)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公司提出的一種板內(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(wèn)的基本讀寫(xiě)時(shí)序,SDA為數(shù)據(jù)線,SCL為時(shí)鐘線。
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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(chēng)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(xiě)兩種情況,雖然讀寫(xiě)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:啟動(dòng)、寫(xiě)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)子程序:讀N字節(jié)子程序、寫(xiě)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公司提出,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(guò)片選線選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。
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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(xiě)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(xiě)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)化為:寫(xiě)讀N字節(jié)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(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(lèi)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(xiě)起始位、寫(xiě)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(xiě)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(xiě)完操作碼的最后一位時(shí)給出。在本文中,主器件速度較慢,可以不考慮等待該位。Microware接口的通用子程序有:啟動(dòng)子程序,讀N字節(jié)子程序、寫(xiě)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)。
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2.4 One-wire總線
One-wire總線是DALLAS公司研制開(kāi)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(guò)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位的家族代碼和8位的CRC代碼。主芯片對(duì)各個(gè)從芯片的尋址依據(jù)這64位的不同來(lái)進(jìn)行。
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。基本的時(shí)序包括復(fù)位及應(yīng)答時(shí)序、寫(xiě)一位時(shí)序、讀一位時(shí)序,如圖5和圖6所示。
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在復(fù)位及應(yīng)答時(shí)序中,主器件發(fā)出復(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(xiě)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(xiě)時(shí)序拓延,形成低位在前的字節(jié)讀寫(xiě)時(shí)序,寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的時(shí)序如圖7所示。最終形成三個(gè)子程序:復(fù)位及應(yīng)答子程序、寫(xiě)N個(gè)字節(jié)子程序和讀N個(gè)字節(jié)子程序。
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2.5 下位機(jī)軟件
從功能上來(lái)說(shuō),下位機(jī)軟件的作用是接收上位機(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(wèn)時(shí)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(wú)法對(duì)每個(gè)子程序進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明,進(jìn)一步的時(shí)序說(shuō)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。
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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(guò)人工分析的數(shù)據(jù)字節(jié),這為開(kāi)發(fā)者提供了對(duì)芯片的透明操作。即在對(duì)某一類(lèi)芯片進(jìn)行操作時(shí)并不關(guān)心中間具體的過(guò)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(lèi)(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(xiě)操作,則上位機(jī)發(fā)送完寫(xiě)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)向下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀由起始字節(jié)、通信選定字節(jié)、讀/寫(xiě)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(xiě)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。
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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(kāi)發(fā)周期,并可根據(jù)需要增加串行接口種類(lèi)。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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