單片機(jī)串行口擴(kuò)展的方法詳細(xì)說明

單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展是指單片機(jī)內(nèi)部各功能部件不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求時，在片外連接相應(yīng)的外圍芯片以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求。

對單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的方法有并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展兩種。

串行口的擴(kuò)展方法

常用的標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)內(nèi)部僅含有一個可編程的全雙工串行通信接口，具有UART的全部功能。該接口電路不僅能同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個同步移位寄存器使用。當(dāng)以此類型單片機(jī)構(gòu)成分布式多級應(yīng)用系統(tǒng)時，器件本身的串口資源就不夠用了。筆者在實際開發(fā)中，查閱了有關(guān)資料，總結(jié)出如下兩種常用而有效的串行通道擴(kuò)展方法。

2.1 基于SP2538的擴(kuò)展方法

SP2538是專用低功耗串行口擴(kuò)展芯片，該芯片主要是為解決當(dāng)前基于UART串口通信的外圍智能模塊及器件較多，而單片機(jī)或DSP原有的UART串口又過少的問題而推出的。利用該器件可將現(xiàn)有單片機(jī)或DSP的單串口擴(kuò)展至5個全雙工串口。使用方法簡單、高效。

在應(yīng)用SP2538擴(kuò)展串行通道時，母串口波特率K1=2880*Fosc_in，單位是MHz，且Fosc_in小于20.0MHz， 在SP2538輸入時鐘Fosc_in =20.0MHz時母串口可自適應(yīng)上位機(jī)的56000bps和57600bps兩種標(biāo)準(zhǔn)波特率輸入。子串口波特率K2=480*Fosc_in。

母串口和所有子串口都是TTL電平接口，可直接匹配其他單片機(jī)或TTL數(shù)字電路，如需連接PC機(jī)則必須增加電平轉(zhuǎn)換芯片如MAX202 、MAX232 等。SP2538具有內(nèi)置的上電復(fù)位電路和可關(guān)閉的看門狗監(jiān)控電路。上位機(jī)寫命令字0x10可實現(xiàn)喂狗，寫命令字0x15關(guān)閉看門狗，初次上電后看門狗處于激活狀態(tài)或?qū)懨钭?x20激活看門狗監(jiān)控功能。上位機(jī)可通過芯片復(fù)位指令0x35在任何時候讓芯片進(jìn)行指令復(fù)位，也可通過芯片睡眠指令0x55在任何時候讓芯片進(jìn)入微功耗睡眠模式以降低系統(tǒng)功耗。初次上電后芯片不會自行進(jìn)入睡眠模式，但只能由上位機(jī)通過母串口任意發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)將其喚醒，其他子串口不具備這一功能。

圖（1）是AT89C52單片機(jī)與SP2538的電路連接，圖中，AT89C52的全雙工串口與SP2538的母串口5相連，該串口同時也作為命令/數(shù)據(jù)口。SP2538的ADRI0、ADRI1、ADRI2分別與AT89C52的P2.3、P2.4、P2.5口相連，可用于選擇發(fā)送數(shù)據(jù)是選擇相應(yīng)的串口0~4；ADRO0、ADRO1、ADRO2與P2.0、P2.1、P2.2相連，用于判斷接收的數(shù)據(jù)來自哪一個串口。 SP2538的時鐘頻率選為20.0MHZ，此時母串口5的波特率為57600bps，串口0~4的波特率為9600bps。

下面是與上述硬件電路相關(guān)的接口程序，該程序用A51匯編語言編制，程序僅說明了中斷方式下對子串口0（TX0、RX0）的操作，其它子串口類似。

TBLOCK DATA 20H

RBLOCK DATA 30H

LENGTH DATA 14H

…

TXR_REV_SEND： CLR ES

JBC RI，RECEIVE

CLR TI

MOV A，@R0

CLR P2.0 ; 寫數(shù)據(jù)到“SBUF”前必須先置欲發(fā)送子串口的地址

CLR P2.1

CLR P2.2

MOV SBUF，A

DJNZ R2，NEXT

SJMP $

NEXT： INC R0

RETI

RECEIVE： MOV A，P2

AND A，#31H ;判斷是否為子串口0

JNZ ELSE

MOV A，SBUF

MOV @R1，A

INC R1

RETI

圖（1） AT89C52與SP2538的電路連接

2.2 基于Intel8251的串行口擴(kuò)展方法

上面基于SP2538的串口擴(kuò)展方法可以說是一種串行的擴(kuò)展方法，這里基于Intel8251的擴(kuò)展方法則是一種并行的方法。Intel8251是一種通用的同步/異步發(fā)送器（USART），它的工作方式可以通過編程設(shè)置。能夠以同步或異步串行通信方式工作，能自動完成幀格式。

Intel8251具有獨(dú)立的接收/發(fā)送器。在異步方式下，用于產(chǎn)生8251內(nèi)部時序的時鐘CLK輸入至少應(yīng)為發(fā)送或接收時鐘的4.5倍。接收/發(fā)送（RXC/TXC）時鐘應(yīng)為波特率的1倍、16倍或64倍（由8251的工作方式字設(shè)定）。

圖（2）是用Intel8251擴(kuò)展一個串行通道的電路原理，圖中，11.0592MHZ晶振經(jīng)ALE6分頻后于 、組合，產(chǎn)生1.8432MHZ的時鐘頻率，分別作為8251與8253的時鐘輸入，若設(shè)定8251通信波特率為9600bps，波特率因子為16，則需要 153.6KHZ的接收/發(fā)送時鐘頻率，該頻率可由8253的OUT0產(chǎn)生。

下面的A51程序段說明了如何設(shè)置8253使其產(chǎn)生153.6KHZ的方波，以及如何用8251收/發(fā)數(shù)據(jù)：

;設(shè)置8253的程序段：

MOV A，#36H ; 計數(shù)器0輸出方波控制字

MOV DPTR，#0FFFFH ; 指向控制字寄存器

MOVX @DPTR，A

MOV DPTR，#0FFFCH ; 指向0計數(shù)器地址

MOV A，#0DH

MOVX @DPTR，A

MOV A，#0

MOVX DPTR，A

SETB P1.0

;操作8251的程序段：

…

START： MOV DPTR，#7FFFH ;8251控制、命令口地址

MOV A，#5EH ;一個停止位，奇校驗，8位數(shù)據(jù)，異步*16

MOVX @DPTR，A ;寫入方式字

MOV A，#15H

MOVX @DPTR，A ;命令字，啟動發(fā)送和接收器

…

LOOP： SJMP LOOP ;等待8251中斷

8251_INT： ;現(xiàn)場保護(hù)

MOV DPTR，#7FFFH

MOV A，@DPTR

JB ACC.0，TX_INT

JB ACC.1，RX_INT

INT_EXIT： ;恢復(fù)現(xiàn)場

RETI

;發(fā)送數(shù)據(jù)

TX_INT： MOV DPTR，#7FFEH ;8251數(shù)據(jù)口地址

MOV A，20H

MOVX @DPTR，A

…

AJMP INT_EXIT

;接收數(shù)據(jù)

RX_INT： MOV DPTR，#7FFEH

MOVX A，@DPTR

MOV 30H，A

…

AJMP INI_EXIT

圖（2）用8251擴(kuò)展串行通道的硬件電路原理

并行擴(kuò)展是指利用單片機(jī)三組總線（AB，DB，CB）進(jìn)行的系統(tǒng)擴(kuò)展。

串行擴(kuò)展是指利用SPI（Serial Peripheral Interface）三線總線和I2C雙總線的串行系統(tǒng)擴(kuò)展。

1，外部并行擴(kuò)展

單片機(jī)是通過芯片的引腳進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的。為了滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的要求，MCS-51系列單片機(jī)芯片引腳可以構(gòu)成可以構(gòu)成下圖所示的三總線結(jié)構(gòu)，單片機(jī)所有的外部芯片都是通過這三組總線進(jìn)行擴(kuò)展。

2，外部串行擴(kuò)展

串行擴(kuò)展包括SPI三線總線和I2C雙總線兩種。在單片機(jī)內(nèi)不具有串行總線時，可利用兩根或三根I/O口線用軟件來虛擬串行總線的功能。下圖所示：

P2

ALE

P0

WR

RD

PSEN

EA

RESET

MCS-51

地址鎖存器

A8-A15

A0-A7

地址總線

D0-D7

數(shù)據(jù)總線

控制總線

MCS-51單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)

4.1單片機(jī)三總線的形成（外部并行擴(kuò)展）

有I2C接口的主機(jī)

有I2C接口的RAM或I/O芯片

有I2C接口

的從機(jī)

SCL

SDL

Vcc

Rf

Rf

I2C總線

I2C 總線系統(tǒng)示意圖

AB，DB，CB 各自的作用

（AB，DB，CB）三組總線稱為系統(tǒng)總線。

系統(tǒng)總線的含義是指計算機(jī)各芯片之間的公共連線。總線的根數(shù)（位數(shù)）稱為總線寬度。

地址總線：單片機(jī)外部有存儲器或接口芯片，其中都有存儲單元或寄存器單元，這些單元地位平等，需要被分配地址編號才能予以區(qū)分，分配地址當(dāng)然也是以電信號形式給出，由于存儲器的容量很大，所以用于分配地址的線也較多，這些線被稱為地址線總線.51單片機(jī)的地址總線AB（address bus）為16位，可尋址216 （64K）存儲空間

數(shù)據(jù)總線：起著在CPU和存儲器或外圍接口電路之間傳遞數(shù)據(jù)的作用。我們常說的8位機(jī)，16位機(jī)，32位機(jī)，是說CPU的外數(shù)據(jù)總線（DB ）（data bus） ）寬度（位數(shù)）。

控制總線：通常包括時序信號（時鐘，定時，應(yīng)答），數(shù)據(jù)傳送控制（如存儲器的讀寫，IO設(shè)備的讀寫）信號，中斷的請求和響應(yīng)，總線請求，復(fù)位等信號，控制總線CB（control bus）隨CPU的不同而各具特色。

單片機(jī)的擴(kuò)展

MCS-51單片機(jī)本身是一個基本的微型計算機(jī)，內(nèi)部已經(jīng) 具有一定數(shù)量的存儲單元和I/O接口，但在內(nèi)部的資源不能夠滿足系統(tǒng)的需要時，就需要進(jìn)行資源的擴(kuò)展，單片機(jī)的擴(kuò)展主要包括以下

兩方面的內(nèi)容：

存儲器的擴(kuò)展

I/O接口的擴(kuò)展

注： MCS-51系列的單片機(jī)在進(jìn)行擴(kuò)展時，需要把P0口和P2口作為擴(kuò)展總線使用，不能夠再作為一般的I/O口使用。

存儲器的擴(kuò)展

在單片機(jī)系統(tǒng)中，存儲器的擴(kuò)展包括：

程序存儲器擴(kuò)展

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲器數(shù)量越來越大，在一般的單片機(jī)系統(tǒng)中，對于程序存儲器的擴(kuò)展已經(jīng)使用的比較少。但對于一些比較早的片內(nèi)沒有程序存儲器的單片機(jī)（8031，8032），在使用時還需要進(jìn)行存儲器的擴(kuò)展。

但建議用戶盡量避免外擴(kuò)ROM，51系列單片機(jī)1000多種型號，一定可以找到內(nèi)部ROM容量符合要求的單片機(jī)。即便是單片機(jī)略微貴點也值得。

數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展

在MCS-51系列單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)中，內(nèi)部RAM的數(shù)量比較有限（128B或256B），在面對大容量的數(shù)據(jù)處理時，就需要進(jìn)行RAM的擴(kuò)展。

程序存儲器擴(kuò)展

常用的外部程序存儲器：

EPROM（紫外線可擦除）

常用的EPROM以27xx系列為主。

EEPROM（電可擦除）

目前的EEPROM分為：串行EEPROM和并行EEPROM，在使用時，常常把串行的EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲器使用。以28xx系列為主。

FlashROM（快閃電可擦除）

主要以29Cxx系列為主。

常用的EPROM芯片引腳封裝示意圖

常用的EPROM芯片引腳封裝示意圖

不同容量的EPROM只是在地址線的數(shù)目和編程信號引腳有一點區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0-Ai：地址輸入線，決定存儲器的容量;

Q0-Q7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線;

E：片選信號輸入線;

G：讀選通輸入信號線;

P：編程脈沖輸入線;

VPP：編程電源輸入線;

VCC：工作電源輸入線（常為+5V）;

GND/VSS：工作時接地線。

2817A

2864A

常用的EEPROM芯片引腳封裝示意圖

不同容量的EEPROM只是在地址線的數(shù)目和編程信號引腳有一點區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0-Ai：地址輸入線，決定存儲器的容量;

I/O0- I/O7（D0-D7）：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線;

CE：片選信號輸入線;

OE：讀選通輸入信號線;

WE：讀選通信號輸入線;

VCC：工作電源輸入線（常為+5V）;

GND：工作時接地線。

29c256

29c512

常用的FlashROM芯片引腳封裝示意圖

2.程序存儲器擴(kuò)展實例

MCS-51單片機(jī)與27256芯片的接口。

利用EPROM擴(kuò)展一個存儲容量為32KB的程序存儲器

MCS-51單片機(jī)與2864芯片的接口。

由于2864不僅可以存放程序也可以在線寫入數(shù)據(jù)，可通過一定的方式來擴(kuò)展一個程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器一體的存儲空間，其容量為8KB.

MCS-51單片機(jī)與27256芯片的接口

27256的基本地址范圍：0000H—7FFFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

27256的DQ1-DQ8

PSEN接OE

CE接地

P2連接

27256的A8-A14

MCS-51單片機(jī)與2864芯片的接口

2864的基本地址范圍：0000H—1FFFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

27256的DQ1-DQ8

P2連接

27256的A8-A12

PSEN和RD相與接OE，WR接WE，CE接P2.7

讀外部程序存儲器時序

ALE

PSEN

注意：上述時序是在取指令過程中自動產(chǎn)生

一個機(jī)器周期

送地址

取出指令

程序存儲器擴(kuò)展實例思考：

MCS-51單片機(jī)與27256芯片的接口中，為什么片選信號可以直接接地 它的地址范圍還可以是多少

MCS-51單片機(jī)與2864芯片的接口中，EEPROM可以在線寫入數(shù)據(jù)，它能否像寫RAM一樣寫入 它的地址范圍還可以是多少

數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展

常用的數(shù)據(jù)存儲器：

靜態(tài)RAM

靜態(tài)RAM在應(yīng)用時存取速度快，使用方便并且價格比較的低廉。但它具有在掉電時，內(nèi)部的數(shù)據(jù)會丟失。典型的有6116，6264，62256等芯片。為了避免掉電數(shù)據(jù)丟失，出現(xiàn)了自動保護(hù)的靜態(tài)RAM，如：DS1225，DS1235.

串行EEPROM

串行EEPROM的與并行的EEPROM特性一樣，只是在數(shù)據(jù)的讀寫使用串行方式。常用的有24Cxx系列（I2C接口）和X25系列（SPI接口）的串行EEPROM.

一，靜態(tài)RAM

不同容量的靜態(tài)RAM只是在地址線的數(shù)目和編程信號引腳有一點區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0-Ai：地址輸入線，決定存儲器的容量;

I/O0-I/O7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線;

CE：片選信號輸入線;

OE：讀選通輸入信號線;

WE：寫選通輸入信號;

VPP：編程電源輸入線;

VCC：工作電源輸入線（常為+5V）;

GND：工作時接地線。

6264

62256

常用的靜態(tài)RAM芯片引腳封裝示意圖

二，串行ROM

不同容量的串行ROM存儲容量上有區(qū)別，各重要的引腳含義如下：

A0，A1，A2：芯片的地址輸入線;

SDA：串行數(shù)據(jù)輸入端;

SCL：串行時鐘輸入端;

RESET：復(fù)位信號輸入;

WP：寫保護(hù)輸入端，為低電平時不允許寫數(shù)據(jù);

SCK：串行時鐘輸入端;

SI：串行數(shù)據(jù)輸入端;

VCC：工作電源輸入線（常為+5V）;

GND：工作時接地線。

AT24CXX和X25043的芯片引腳封裝示

意圖封裝

AT24Cxx

X25043

三，利用6116擴(kuò)展一個2KB的

數(shù)據(jù)存儲器

在利用6116對MCS-51系列的單片機(jī)進(jìn)行存儲器擴(kuò)展時，基本的連接為：

OE與RD控制相連;

WE與WR控制相連;

CE與P2.7相連;

A0-A7與鎖存器74LS373的Q0-Q7相連;

A8-A10分別與P2.0-P2.2相連;

6116的基本地址范圍：0000H—07FFH.

MCS-51單片機(jī)與6116芯片的接口

6116的基本地址范圍：0000H—07FFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

6116的DQ1-DQ8

OE接RD

WR接WD

P2連接片選和

6116的A8-A10

四，利用DS1235擴(kuò)展一個32KB的數(shù)據(jù)存儲器

在利用DS1235對MCS-51系列的單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展時，基本的連接為：

OE與RD控制相連;

WE與WR控制相連;

CE與P2.7相連;

A0-A7與鎖存器74LS373的Q0-Q7相連;

A8-A14分別與P2.0-P2.6相連;

DS1235的基本地址范圍：0000H—7FFFH.

MCS-51單片機(jī)與DS1235芯片的接口

DS1235的基本地址范圍：0000H—7FFFH

P0連接：

74LS373的1D-8D

DS1235的DQ1-DQ8

OE接RD

WR接WD

P2連接片選和

DS1235的A8-A14

DS1235數(shù)據(jù)存儲單元的操作方法

例1：從DS1235的地址單元2000H讀取數(shù)據(jù)到累加器ACC中。

例2：從累加器ACC向DS1235的地址為2000H的單元寫入數(shù)據(jù)。

讀取數(shù)據(jù)方法1

READB： MOV DPTR，#2000H

MOVX A，@DPTR

讀取數(shù)據(jù)方法2

READB： MOV P2，#20H

MOV R0，#00H

MOVX A，@R0

寫入方法1

WRITE： MOV DPTR，#2000H

MOVX @DPTR，A

寫入方法2

WRITE： MOV P2，#20H

MOV R0，#00H

MOVX @R0，A

P2口的地址由單片機(jī)自動產(chǎn)生

P2口的地址由P2口以I/O方式產(chǎn)生

P2口的地址由單片機(jī)自動產(chǎn)生

P2口的地址由P2口以I/O方式產(chǎn)生

讀/寫外部數(shù)據(jù)存儲器時序

PSEN

一個機(jī)器周期

ALE

一個機(jī)器周期

RD/WR

訪問ROM，取出MOVX指令

訪問RAM讀/寫數(shù)據(jù)

送地址