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/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。
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