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第7章 MCS?51系列单片机串行总线扩展技术

1．SPI总线一般使用几条线？分别是什么？

SPI使用4条线：串行时钟SCK，主机输入/从机输出数据线MISO（简称SO），主机输出/从机输入数据线MOSI（简称SI）和低电平有效的从机选择线CS。

2．I2C总线一般使用几条线？分别是什么？

I2C总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成。 3．说明IC总线主机、从机数据传输过程。

IC总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成。IC总线为同步传输总线，数据线上的信号完全与时钟同步。数据传送采用主从方式，即主器件（主控器）寻址从器件（被控器），启动总线产生时钟，传送数据及结束数据的传送。SDA/SCL总线上挂接的单片机（主器件）或外围器件（从器件），其接口电路都应具有IC总线接口，所有器件都通过总线寻址，而且所有SDA/SCL的同名端相连

4．SPI总线与IC总线在扩展多个外部器件时有什么不同？

SPI总线有主机、从机的概念。图7-1所示为SPI外围扩展结构图。该系统有一台主机，从机通常是外围接口器件，如EPROM、A/D、日历时钟及显示驱动等。

SCK SI SO SCK SI SO SCK SI SO CS2

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SCK SI SO CS单片机外围器件1# 外围器件1# … 外围器件1# CS 单片机与外围器件在SCK、SO和SI上都是同名端相连的。外围扩展多个器件时，SPI无法通过数据线译码选择，故SPI的外围器件都有片选端口。在扩展单个SPI器件时，外设的CS端可以接地，或通过I/O接口控制；在扩展多个SPI外围器件时，单片机应分别通过I/O接口来分时选通外围器件。

IC总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL成。IC总线为同步传输总线，数据线上的信号完全钟同步。数据传送采用主从方式，即主器件（主控器）

单SAD 片机SCL SAD SCL 存储器 SAD SCL 键盘/显示接口 22

从器件（被控器），启动总线产生时钟，传送数据及数据的传送。SDA/SCL总线上挂接的单片机（主器件）围器件（从器件），其接口电路都应具有IC总线接

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所有器件都通过总线寻址，而且所有SDA/SCL的同名端相连，如图7-2所示。

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I/O I/O I/O 图7-1 SPI外围串行扩展结构图

构

存储器 SAD SCL 键盘/显示接口 SAD SCL 与时寻址结束或外 口，

图7-2 I2C总线应用系统的组成

5．单总线的操作原理是什么？

单总线系统中配置的各种测控器件，是由Dallas公司提供的专用芯片实现的。每个芯片均有64位ROM，厂家对每一个芯片用激光烧写编码，其中存有16位十进制编码序列号，是器件的地址编号，确保挂在总线上后，可以唯一地确定。除了器件地址编码外，芯片内还含有收发控制和电源存储电路。这些芯片的耗电量都很小，从总线上馈送电量（空闲时为几微瓦，工作时为几毫瓦）到大电容中就可以正常工作，故一般不另附加电源。

6．具有SPI总线的器件，除具有SDO、SDI和SCK外，还有其他控制线吗？ 还有/CS控制端。

7．SPI总线上挂有多个SPI器件，如何选中某一个SPI从器件？

SPI串行扩展系统中作为主器件的单片机在启动一次传送时，便产生8个时钟传送给接口芯片，作为同步时钟，控制数据的输入与输出。数据的传送格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。数据线上输出数据的变化以及输入数据时的采样，都取决于SCK。但对于不同的外围芯片，有的可能是SCK上升沿起作用，有的可能是SCK的下降沿起作用。

8．IC总线上挂有多个IC器件，如何选中某一个IC器件？

在一般的并行接口扩展系统中，器件地址都是由地址线的连接形式决定的，而在IC总线系统中，地址是由器件类型及其地址引脚电平决定的，对器件的寻址采用软件的方法。

IC总线上所有外围器件都有规范的器件地址。器件地址由7位组成，它与一个方向位共同构成IC总线器件的寻址字节

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第8章 单片机应用系统设计

1．单片机应用系统一般由哪几部分组成？

从系统的角度来看，单片机应用系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统是指单片机扩展的存储器、外设及其接口电路等，软件系统包括监控程序和各种应用程序。

2．单片机应用系统设计主要有哪些内容？

单片机应用系统的设计包含硬件设计与软件设计两部分，具体涉及的内容主要有单片机系统、通道与接口、系统的抗干扰、应用软件的设计等。

3．单片机应用系统的一般设计方法是什么？ （1）确定系统的功能与性能。 （2）确定系统基本结构。

（3）单片机应用系统硬件与软件设计。 （4）资源分配

4．在单片机应用系统设计中，软、硬件分工的原则是什么？对系统结构有何影响？ （1）硬件系统设计原则

一个单片机应用系统的硬件电路设计包括如下两部分内容：

① 单片机系统的扩展，即单片机内部的功能单元（如程序存储器、数据存储器、I/O、定时器/计数器、中断系统等）的容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的扩展电路。

② 系统配置，即按照系统功能要求配置外设，如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

系统扩展的配置设计应遵循下列原则：

① 尽可能选择典型通用的电路，并符合单片机的常规用法，为硬件系统的标准化、模块化奠定良好的基础。

② 系统的扩展与外设配置的水平应充分满足应用系统当前的功能要求，并留有适当余地，便于以后进行功能的扩充。

③ 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑，硬件结构与软件方案会产生相互影响。

④ 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。例如，选用晶体振荡频率较高时，存储器的存取时间就较短，应选择存取速度较快的芯片；选择COMS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应选择低功耗产品。如果系统中相关的器件性能差异很大，系统综合性能就会降低，甚至不能正常工作。

⑤ 可靠性及抗干扰设计是硬件设计中不可忽略的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦合滤波、印制电路板布线、通道隔离等。如果设计中只注重功能实现，而忽略可靠性及抗干扰设计，到头来只能是事半功倍，甚至会造成系统崩溃，前功尽弃。

⑥ 单片机外接电路较多时，必须考虑其总线驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。解

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决的办法是增加驱动能力，增加总线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。 （2）软件设计的原则

应用系统中的应用软件是根据系统功能设计的，应可靠地实现系统的各种功能。应用系统种类繁多，应用软件各不相同，但优秀的应用软件应具有以下特点：

① 软件结构清晰、简捷、流程合理。

② 各功能程序事先模块化、系统化。这样既便于调试、连接，又便于移植、修改和维护。 ③ 程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约存储容量，又能给程序设计与操作带来方便。 ④ 运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果及运行需求都设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志来控制。

⑤ 经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹”。规范化的程序便于交流、借鉴，也为今后的软件模块化、标准化打下基础。

⑥ 实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。 ⑦ 为提高运行的可靠性，在应用软件中设置自诊断程序，在系统运行前先运行自诊断程序，以检查系统各特征参数是否正常。

整个单片机应用系统是一个整体。在进行应用系统总体设计时，软件设计和硬件设计应统一考虑，相结合进行。当系统的硬件电路设计定型后，软件的任务也就明确了。

5．什么是联调？主要解决哪些问题？

系统联调是指让用户系统的软件在其硬件上运行，进行软、硬件联合调试，从中发现硬件故障错误或软、硬件设计错误。这是对用户系统检验的重要一关。

系统联调主要解决以下问题：

① 系统的软、硬件能否按预定的要求配合工作。 ② 系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误。

③ 系统的动态性能指标（包括精度、响应速度等）是否满足设计要求。

系统联调时，首先采用单步、断点、连续运行方式调试与硬件相关的各程序段，既可检验这些程序段的正确性，又可在各功能独立的情况下，检验软、硬件的配合情况。然后将软、硬件按系统工作要求进行综合运行，以解决在系统总体运行情况下软、硬件的协调问题，并提高系统的动态性能。在具体操作中，用户系统在开发系统环境下，先借用仿真器的单片机、存储器等资源进行工作。若发现问题，按上述软、硬件调试方法准确定位错误，分析错误原因，找出解决办法。用户系统调试完后，将用户程序固化到用户系统的程序存储器中，再借用仿真器单片机，使用户系统运行。若无问题，则用户系统插上单片机即可正确工作。

6．为什么要进行现场调试？

一般情况下，通过系统联调后，用户系统就可以按照设计目标正常工作了。但在某些情况下，由于用户系统运行的环境较为复杂（如环境干扰较为严重、工作现场有腐蚀性气体等），在实际现场工作之前，环境对系统的影响无法预料，只能通过现场运行调试来发现问题，找出相应的解决方法；或者虽然已经在系统设计时考虑到了抗干扰的对策，但是否行之有效，还必须通过用户系统在实际

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现场的运行来加以验证。另外，有些用户系统的调试是在模拟设备代替实际监测、控制对象的情况下进行的，这就更有必要进行现场调试，以检验用户系统在实际工作环境中工作的正确性。

总之，现场调试对用户系统的调试来说是最后必需的一个过程，用户系统只有经过现场调试才能保证可靠地工作。现场调试仍需利用开发系统来完成，其调试方法与前述类似。

7．试设计一个采用单片机控制的自动交通信号灯系统。设在一个十字路口的两个路口均有一组交通信号灯（红、黄、绿），控制要求：主干线绿灯亮的时间为30秒，然后转为黄灯亮，2秒后即转为红灯亮。支干线在主干线绿灯和黄灯亮时，其为红灯亮，直到主干线黄灯熄灭时才转为绿灯亮。其绿灯亮的持续时间为20秒，然后黄灯亮2秒后即转为红灯亮，如此反复控制。试绘出系统逻辑图、程序流程图，并编制程序。

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