面向接口的编程——SPI总线和IIC总线

>>> 4.4.1 中断与事件驱动

无论采用哪种总线都使用时钟信号和数据/控制线，时钟信号由 MCU 主机进行控制。用于控制的信号线中的 SPI 为 4 根，除了具有传输的信号外，还具有片选信号，通过该信号的有效与否，主机指定哪个器件作为目标对象。

>>> 4.6.1 SPI 总线简介

在这里，以 LPC824 为例来介绍主机 SPI 的原理和应用设计。

• SSEL：片选输入

当 SPI 作为主机时，则在串行数据启动前驱动 SSEL 信号，使之变为有效状态，并在串行数据发送后释放该信号，使之变为无效状态。默认 SSEL 为低电平有效，也可将其选为高电平有效。当 SPI 作为从机时，处于有效状态的任意 SSEL 信号都表示该从机正在被寻址。

• MOSI ：主机输出从机输入

MOSI 信号可将串行数据从主机传送到从机。当 SPI 作为主机时，则串行数据从 MOSI输出；当 SPI 作为从机时，则串行数据从 MOSI 输入。

• MISO ：主机输入从机输出

MISO 信号可将串行数据由从机传送到主机。当 SPI 作为主机时，则串行数据从 MISO输入；当 SPI 作为从机时，则串行数据输出至 MISO。

• SCK：时钟信号

SCK 同步数据传送时钟信号。它由主机驱动从机接收，使用 SPI 接口时，则时钟可编程为高电平有效或低电平有效。

>>> 4.6.2 74HC595 接口

在同一时钟信号作用下，74HC595 实现数据的串行输入/并行输出转换。除了 8 个并行输出口之外，74HC595 还有 5 个输入控制口，其中的Q ₇ ~ Q ₀ 端输出；同时将V _CC ，从而保证 74HC595 处于永久选通状态。另外还有 3 个输入端：CP 时钟信号端、D 数据输入端与 STR 锁存信号，其分别连接 MCU 的 SCK、MOSI 与 SSEL，详见图 4.18。

图 4.18 74HC595 电路图

在 CP 时钟信号上升沿的作用下，保证将加载 D端的二进制数据依次送入 74HC595 中。当数据移位完成后，在 STR 上升沿的作用下，数据将一次性地在 Q ₇ ~ Q ₀ 端输出，从而保证在移位的过程中，输出端的数据保持不变。

MiniPort-595 模块采用 74HC595 扩展 8 路 I/O，可以直接驱动 LED 显示模块，其对应AM824-Core 的 MiniPort 接口 J4 功能定义详见图 4.19（b）。MiniPort-595 模块输出信号引脚J2 功能定义详见图 4.19（c）。

图 4.19 595 模块实物与控制接口定义

假设要将 1000 0000 串行传送到 74HC595 的并行输出端 Q ₇ ~ Q ₀，此数据在时钟脉冲的作用下，从 Q ₇ ~ Q ₀逐位送到串行数据输入端 D。待 8 个时钟脉冲过后，10000000在Q ₇ ~ Q ₀并行输出。AMetal针对 74HC595 提供了相应的 hc595.h 接口，详见程序清单 4.44。

程序清单 4.44 hc595.h 接口

由此可见，在初始化 74HC595 相关的操作后调用 hc595_send_data()，则串行输入并行输出一个 8 位二进制数，74HC595 的输出管脚当作 8位 I/O 口使用。此前控制 8 个 LED 流水灯不得不使用 8 个 I/O 口，现在有了 74HC595，则可以节省的更多 I/O 口留作其它用途。

显然，只要将 AM824-Core 主机、MiniPort-595 模块的 MiniPort A（排针）与 MiniPort-LED 模块的 MiniPort B（排母）直接对插即可，其原理图详见图 4.20，模块的组合详见图 4.21（a），组合之后对应 MCU 的 MiniPort 接口 J4 端口功能定义详见图 4.21（b），MCU 通过 STR、CP和 D 这 3 个端口控制 74HC595 芯片驱动8 个 LED，详见程序清单 4.45。

图 4.20 8 路输出 I/O 扩展

图 4.21 模块组合实物与控制接口定义

程序清单 4.45 74HC595 通用接口范例程序

显然，同样可以用 74HC595 来驱动数码管的 8 个段，其原理图详见图 4.22。

图 4.22 2 位数码管驱动电路

将AM824-Core、MiniPort-595模块的MiniPort A（排针）与MiniPort-View模块的MiniPort B（排母）3 个模块直接对插即可，详见图 4.23（a），组合之后对应 MCU 的MiniPort接口J4功能定义详见图4.23 （b）。MCU 除了使用 STR、CP 和 D 端口控制74HC595，还需要使用 COM0 和 COM1控制数码管的位选。

图 4.23 模块组合实物与控制接口定义

其实使用 74HC595 与直接使用 I/O驱动数码管，唯一的不同是段码的输出方式不一样，因此仅需修改段码传送函数，并将实现代码添加到digitron1.c 中，详见程序清单 4.46。

程序清单 4.46 新增 74HC595 驱动数码管的相关函数

由于用户不会直接调用 digitron_hc595_segcode_set()，因此仅将 digitron_hc595_init()和digitron_hc595_disp_scan()添加到程序清单 4.47 所示的 digitron1.h 接口中。

程序清单 4.47 digitron1.h

当使用 74HC595 驱动数码管时，只要调用相关函数即可，详见程序清单 4.48。

程序清单 4.48 74HC595 驱动数码管实现秒计数器范例程序

4.7 I²C 总线

>>> 4.7.1 I²C 总线简介

I²C 总线（Inter Integrated Circuit）是 NXP 公司开发的用于连接微控制器与外围器件的两线制总线，不仅硬件电路非常简洁，而且还具有极强的复用性和可移植性。I²C 总线不仅适用于电路板内器件之间的通信，而且通过中继器还可以实现电路板与电路板之间长距离的信号传输，因此使用 I²C 器件非常容易构建系统级电子产品开发平台。其特点如下：

• 总线仅需 2 根信号线，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互连成本；

• 同一条 I²C 总线上可以挂接多个器件，器件之间按不同的编址区分，因此不需要任何附加的 I/O 或地址译码器；

• 非常容易实现 I²C 总线的自检功能，以便及时发现总线的异常情况；

• 总线电气兼容性好，I²C 总线规定器件之间以开漏 I/O 互连，因此只要选取适当的上拉电阻就能轻易实现 3V/5V 逻辑电平的兼容；

• 支持多种通信方式，一主多从是最常见的通信方式。此外还支持双主机通信、多主机通信与广播模式；

• 通信速率高，其标准传输速率为100Kbps （每秒100K位），在快速模式下为400Kbps，按照后来修订的版本，位速率可高达 3.4Mbps。

>>> 4.7.2 LM75B 接口

AM824-Core 选择与 LM75A 兼容的 LM75B 数字测温传感器，其关断模式下消耗的电流仅为 1μA。

1． 特性

LM75B 是 NXP 半导体推出的具有 I²C 接口的数字温度传感器芯片，其关键特性如下：

• 器件地址 1001xxx，同一总线上可以外扩 8 个器件；

• 供电范围：2.8～5.5V，温度范围：-55～125℃；

• 11 位 ADC 提供温度分辨率达 0.125℃；

• 精度：±2℃（-25～100℃），±3℃（-55～125℃）。

LM75B 的管脚排列详见图 4.24，从机地址为 0x90，A0~A2 分别为地址选择位 0~2，且必须在 SCL 串行时钟输入与 SDA 串行数据信号线上添加上拉电阻。当芯片过热时，则关断输出。

图 4.24 LM75B 管脚图

2． 应用电路

LM75B 典型应用电路详见图 4.25，R5 和 R6 是 I²C总线的上拉电阻。由于板载只有一片 LM75B，因此不用考虑芯片的地址问题，即可将芯片的 A0~A2 引脚直接接地。OS 为芯片的过热输出，可以外接继电器等器件实现独立温控器的功能。由于是通过 MCU 实现测温的，因此该引脚可以悬空。只要短接（J13_1、J13_2）与（J11_1、J11_2），则 SDA、SCL 分别与 PIO0_18、PIO0_16 相连。

图 4.25 LM75B 应用电路图

如图 4.26 所示为 AM824-Core 的加热电路，R32 的阻值为 20~50Ω（2W）。短接 J14_2与J14_3即可将焊接在LM75B附近的加热电阻R32与KEY相连，当 KEY 键按下时，则 R32 开始发热，此时电阻上产生的热量会通过较粗的导线传导到 LM75B 的下面，于是LM75B 也会跟着热起来。如果电阻越小，则通过的电流越大，产生的热量也就越大。当按键按下时电路导通，这时可以通过测温电路观察温度上升情况。

图 4.26 加热电路

3． 温度测量

针对 LM75B，AMetal 提供了相应的软件包，其函数原型为：

显然，使用这两个通用接口，很容易读取当前的温度值。由于只有两位数码管，因此只显示整数部分；当温度为负数时，也不显示负，仅显示温度值，详见程序清单 4.49。

程序清单 4.49 LM75 温度读取和显示范例程序

将程序编译后下载到开发板上运行，如果数码管显示 28，表示当前温度为 28℃。如果按下加热按键，则低阻值加热电阻 R32 开始发热，那么显示的温度值会不断升高。

在显示温度值时，之所以将温度值右移了 8 位，这是因为 lm75_read()读取的数值是实际温度的 256 倍，所以实际温度应该是读取的值除以 256.0。同时，由于不需要显示小数部分，所以直接右移 8 位，就表示除以了 256，只剩下了整数部分。

>>> 4.7.3 温控器

下面将结合此前编写的程序，使用 LED、蜂鸣器、数码管、矩阵键盘和温度采集，实现一个简易的温控器。

1． 功能简介

使用标准I²C接口LM75B温度传感器采集温度在数码管上显示，由于只有两位数码管，因此只显示整数部分；当温度为负数时，也不显示负，仅显示温度值。

可设置温度上限值和温度下限值，当温度高于上限值或低于下限值时，则蜂鸣器鸣叫。

2． 状态指示

在调节过程中，使用两个 LED 用于状态指示，用短路跳线器连接 J9 和 J10 即可。

• LED0 亮：表明当前值为上限值，数码管显示上限值；

• LED1 亮：表明当前值为下限值，数码管显示下限值；

• 两灯闪烁：表明正常运行状态，数码管显示环境温度值。

3． 操作说明

设置上下限值时，共计使用 4 个按键。即：

• SET 键：用于进入设置状态。点击后首先进入温度上限值设定，再次点击可进入温度下限值设定，再次点击回到正常运行状态；

• 左移/右移键：用于切换当前调节的位（个位/十位）。当进入设置状态后，当前调节的位会不断的闪烁；点击该键可以切换当前调节的位，由个位切换到十位，或由十位切换到个位；

• 加 1 键：当进入设置状态后，当前调节的位会不断的闪烁，按该键可以使该位上的数值增加 1；

• 减 1 键：当进入设置状态后，当前调节的位会不断的闪烁，按该键可以使该位上的数值增减 1。

（1）设置上限值

首次按下 SET 键进入上限值设置，此时 LED0 点亮，数码管显示上限值温度，个位不停闪烁。按“加 1 键”或“减 1 键”可以对当前闪烁位上得值进行调整，按下“左移/右移键”可以切换当前调节的位。

（2）设置下限值

在设置上限值的基础上，再次点击 SET 键即可进入下限值的设定，此时 LED1 点亮，数码管显示下限值温度，个位不停闪烁。按“加 1 键”或“减 1 键”可以对当前闪烁位上的值进行调整，按“左移/右移键”可以切换当前调节的位。

4． 功能实现

如程序清单 4.50 所示为温控器的范例程序，程序中比较繁琐的是按键的处理程序。为了使程序结构更加清晰，分别对 3 种按键：切换状态（KEY0）、切换当前调节位（KEY2）、调节当前位的值（KEY1 和 KEY3）写了 3 个函数，各个函数直接在 key_process()按键处理程序中调用。其它部分均在 while(1)主循环中完成，主要完成 3 件事情：温度值的采集，每隔 500ms 进行一次；键盘扫描，每隔 10ms 进行一次；数码管扫描，每隔 5ms 进行一次。

程序清单 4.50 综合实验范例程序