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)對具有I2C、SPI、Microware、One-wire等接口的從器件芯片的操作，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的測試工作。
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)簡單的硬件電路并編制相應(yīng)的軟件對其測試，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)可以大大簡化芯片使用前的測試過程。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。
測試時(shí)，將待測芯片與對應(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)對其分析后調(diào)用相應(yīng)的時(shí)序模擬程序訪問待測芯片，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。測試后，只需對單片機(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：啟動(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。
