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(tài)電流15μA
· 18DIP/SOIC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(jié)的RAM,、狀態(tài)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(fā)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(jié),、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(jié)是控制字節(jié)，否則表示下面的字節(jié)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(tài),。
串行總線上定義了三種數據格式：
(a) 控制字節(jié)的傳送
(b) 隨機地址的數據讀寫
(c) 連續(xù)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(jié)(8位),；NK：讀數據時無回應(No ACK)。
1.4 控制字節(jié)
控制字節(jié)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(tài),。
·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(jié)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(jié)中發(fā)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(jié)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(fā)送控制字節(jié)(CONTROL byte)子程序為例，說明MCS51系列單片機對EM83010的控制方法,。
?。话l(fā)送控制字節(jié)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(fā)送“GRP”(GRP＝0)
MOV R0,#08 ,；發(fā)送8位的Control Byte
OutByte：
CLR SCK ,；
RLC A ；帶進位標志循環(huán)左移位
MOV SDT,，C ,；發(fā)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(jié)(Control Byte)發(fā)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(huán)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(fā)出“讀R－option”命令(與TransmitControl子程序相似,，參數A＝0C1H，且發(fā)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,。
參考文獻
1 EM83010－I/O EXPANDER. EMC Corp.
2 何立民. MCS－51系列單片機應用系統設計. 北京：北京航空航天大學出版社,，1993