具有串行接口的I/O擴展器EM83010及其應用

摘 要： 介紹了具有串行接口的I/O擴展器EM83010的性能和特點，利用EM83010實現了對MCS51單片機的I/O擴展。

關鍵詞： I/O擴展 串行接口 MCS51單片機

單片機I/O口的擴展，過去常常采用門電路或可編程邏輯器件等來實現，比較麻煩。本文介紹具有串行接口的I/O擴展器EM83010及其應用，從而為設計者提供一種新的I/O口擴展方法。使用EM83010進行I/O擴展，不僅非常簡便，而且具有強大的功能。

１ EM83010簡介

EM83010是EMC公司生產的帶串行接口的I/O擴展器，它具有以下功能及特點：

· 14個雙向I/O口線

· 2個I/O寄存器，2個I/O控制寄存器

· 144×8bit片內RAM

· 與MCU通過2線串行接口相連

·2線最多可同時接8片EM83010（此時擴展I/O數量為112個，RAM容量為1152×8bit）

· 工作電壓寬：2.5V～5.5V

· 低功耗，工作電流0.5mA，靜態電流15μA

· 18DIP／SOIL封裝形式

1.1 管腳定義

對于18DIP封裝的EM83010而言，其管腳功能如表1所示。

1.2 內部功能框圖

EM83010內部功能框圖如圖1所示。EM83010內部主要包括I/O控制邏輯、存儲控制邏輯、地址指針、144字節的RAM、狀態及控制寄存器、兩個端口及其對應的數據寄存器和控制寄存器。

1.3 2線串行接口

EM83010支持雙向2線串行接口，其中由SCK提供串行同步時鐘，SDT收發數據，并且最多可以有8個EM83010同時共享該總線。

串行總線上數據傳送的時序如圖2所示。

數據傳輸依次為：START、GRP位、DATA（控制字節、數據或地址，高位在前，低位在后）、ACK位、STOP。其中START定義為SCK=“1”時SDT的下降沿；STOP定義為SCK=“1”時SDT的上升沿；若GRP=“0”，表示下面的字節是控制字節，否則表示下面的字節是數據或地址；ACK的產生方法是在ACK周期（回應時鐘）的高電平期間將SDT拉低。STOP產生之后，SCK、SDT保持高電平狀態。

串行總線上定義了三種數據格式：

（ａ) 控制字節的傳送

（ｂ） 隨機地址的數據讀寫

（ｃ） 連續地址的數據讀寫

在以上數據格式中，S：開始（START）；P：停止（STOP）；D：數據（8位）；1：（GRP）高電平；0：（GRP）低電平；A：地址（8位）；K：讀數據時有回應（ACK）；C：控制字節（8位）；NK：讀數據時無回應（No ACK）。

1.4 控制字節

控制字節的位定義如表2所示。

注：（T1 T0 A2 A1 A0）=（1 1 0 0 0）被保留，

用于R－option地址。

1.5 寄存器（I/O端口及RAM）

1.5.1 寄存器（I/O端口、RAM）分配表

寄存器（I/O端口及RAM）分配表如表3所示。

1.5.2 R00～R01（端口0～端口1）

·R00是6位寄存器，對應端口0，讀寫R00的高2位無意義。

·R01是8位寄存器，對應端口１。

·每個I/O管腳均可定義為輸入或輸出。

·寫入R00和R01時是串行傳送的，但數據被刷新到管腳上是同時的；讀R00和R01時，管腳數據的 采樣也是同時的。

1.5.3 R02和R03（IOC0和IOC1）

·IOC0（R02）是6位寄存器，控制端口0數據I/O的方向，讀寫IOC0的高2位無意義。

·IOC1（R03）是8位寄存器，控制端口1數據I/O的方向。

·IOC0和IOC1中的“1”置對應管腳為高阻，表示輸入；“0”置對應管腳為輸出狀態。

·上電后，IOC0和IOC1各位均為“1”。

·IOC0和IOC1的接收是串行的，但寫入寄存器是同時的。

1.5.4 R04～R93（通用寄存器）

·R04～R93為144字節的通用寄存器（SRAM）。

1.6 R－option地址片選

總線上有多個設備時，每個設備應具有不同的地址。如表1所示，P00～P02可作為R-option 腳，用于芯片的片選。

每個R-option管腳被內部電路微弱拉為高電平，若外接560kΩ電阻接地則讀作“0”，否則讀作“1”。

上電后必須在控制字節中發出“讀R-option”命令（此時Control byte=11000001，且“STOP”上升沿之前應該延時500μs），將片選地址讀入后，P00～P02的R-option地址片選才起作用。

P00～P02可作為雙向I/O管腳，由于R-option功能的原因，建議P00～P02用作輸出腳。

1.7 EM83010的應用電路舉例

EM83010的應用電路如圖3所示。R2～R8=560kΩ，R1=10kΩ，此電路有3片EM83010，共用2根總線（MCS51單片機的P10和P11）。由R2～R8的接法可知，3片EM83010的地址分別為000、001、010。

這樣，在圖3中，2根I/O線（P10、P11）可擴展14×3=42個I/O口，以及144×3=432字節的RAM。

可見EM83010用于I/O擴展時，不僅便于實現，而且功能強大。

2 EM83010用于MCS51的I/O擴展

2.1 硬件電路

利用EM83010對MCS51單片機進行I/O擴展的硬件電路請參照圖3。直接將MCS51單片機的2根I/O口線（如P10、P11）連至SDT、SCK即可。

2.2 軟件設計

2.2.1 基本考慮

EM83010的SCK時鐘頻率最高可為500kHz。對于主頻12MHz的MCS51單片機而言，其指令周期不小于1μs，由指令產生的SCK時鐘周期不小于2μs，完全滿足上述條件。

2.2.2 程序編寫

下面以發送控制字節（Control byte）子程序為例，說明MCS51系列單片機對EM83010的控制方法。

；發送控制字節子程序

；Control Byte 存放在累加器Ａ中

ＳＤＴ ｂｉｔ Ｐ１０ ； Ｐ１０與EM83010的ＳＤＴ相連

ＳＣＫ ｂｉｔ Ｐ１１ ； Ｐ１１與EM83010的ＳＣＫ相連

ＴｒａｎｓｍｉｔControl：

ＳＥＴＢ ＳＤＴ ；

ＳＥＴＢ ＳＣＫ ； 在ＳＣＫ高電平期間

ＣＬＲ ＳＤＴ ； 產生“START”（下降沿）

ＣＬＲ ＳＣＫ ；

ＳＥＴＢ ＳＣＫ ； 發送“GRP”（ＧＲＰ＝０）

ＭＯＶ Ｒ０＃０８ ；發送８位的Control Ｂｙｔｅ

ＯｕｔＢｙｔｅ：

ＣＬＲ ＳＣＫ ；

ＲＬＣ Ａ ；帶進位標志循環左移位

ＭＯＶ ＳＤＴ，Ｃ ；發送１位數據

ＳＥＴＢ ＳＣＫ ；

ＤＪＮＺ Ｒ０，ＯｕｔＢｙｔｅ ；

ＣＬＲ ＳＣＫ ；

ＳＥＴＢ ＳＣＫ ；

ＪＢ ＳＤＴ，＄ ；等待“ACK”

ＣＬＲ ＳＣＫ ；

ＣＬＲ ＳＤＴ ；

ＳＥＴＢ ＳＣＫ ；在ＳＣＫ高電平期間

ＳＥＴＢ ＳＤＴ ；產生“STOP”(上升沿)

ＲＥＴ ；子程序返回

以上子程序將存放在累加器A中的控制字節Control Byte發送給EM83010，入口地址標號為TransmitControl。該程序在SDT上依次傳輸了START、GRP、8位Control Byte、ACK、STOP，其中8位Control Byte的串行化主要是由帶進位標志循環移位指令（RLC A）實現的。

2.2.3 操作步驟

系統上電后，MCS51單片機應先向EM83010發出“讀R-option”命令(與TransmitControl子程序相似，參數A=0C1H，且發送“STOP”上升沿前應延時500μs”)，將片選地址讀入后，P00～P02的R-option地址片選才起作用。

接下來，可根據需要對EM83010的端口0、端口1及RAM進行讀寫，從而實現了單片機I/O口及RAM的擴展。