嵌入式控制系統(tǒng)中I2C串行EEPROM器件應(yīng)用

I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器因具有外形體積小、接口緊湊簡(jiǎn)單、占用引腳資源少、數(shù)據(jù)保存可靠、可在線(xiàn)改寫(xiě)、功耗低和價(jià)格低廉等顯著特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)中，用于存放配置參數(shù)、調(diào)整和運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息。但由于其為同步串行傳輸，通訊協(xié)議非常簡(jiǎn)單，沒(méi)有提供更為復(fù)雜的糾錯(cuò)和檢測(cè)機(jī)制，在實(shí)踐中經(jīng)常因使用不當(dāng)造成數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)無(wú)故改寫(xiě)等問(wèn)題。對(duì)于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)要求非常高的系統(tǒng)， 例如計(jì)量產(chǎn)品、無(wú)人值守系統(tǒng)等，如果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生意外錯(cuò)誤，造成的損失是致命的，因此在設(shè)計(jì)使用I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器時(shí)，更多地需要硬件和軟件相互接合，采取一些相關(guān)的處理措施，使得產(chǎn)品能夠在各種惡劣的使用環(huán)境中可靠、正確地運(yùn)行。

1 硬件處理措施

硬件處理過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）電源是一個(gè)控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基石，很多產(chǎn)品與外界的有線(xiàn)連接就是電源連接。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)電源電路進(jìn)行有效濾波處理，并且應(yīng)該通過(guò)EMC的試驗(yàn)檢測(cè)來(lái)降低電源紋波噪聲，抑制高頻震蕩和高壓脈沖的侵入，減少由于噪聲過(guò)大而引起的I2C串行EEPROM器件讀寫(xiě)失誤。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)閷?shí)踐中很多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不知何故而發(fā)生了錯(cuò)誤，可能的一個(gè)重要原因就是電源的抗干擾能力有限，從而導(dǎo)致I2C總線(xiàn)干擾。

（2）由于特殊原因，盡管對(duì)電源已經(jīng)進(jìn)行了有效處理，仍無(wú)法避免電磁的干擾，在使用I2C串行EEPROM時(shí)，在I2C規(guī)范限制條件下，可以采取減小上拉電阻和使用I2C總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器提高輸出驅(qū)動(dòng)能力等措施來(lái)有效降低電磁干擾對(duì)讀寫(xiě)的影響。

（3）I2C串行EEPROM 一般具有欠壓復(fù)位電路，如果微處理器欠壓復(fù)位的門(mén)限電壓高于I2C串行EEPROM，那么，由于電磁干擾造成的電壓波動(dòng)使得微處理器可能會(huì)在總線(xiàn)通信過(guò)程中率先復(fù)位，而I2C串行EEPROM保持其當(dāng)前狀態(tài)，導(dǎo)致總線(xiàn)出現(xiàn)“掛死”現(xiàn)象，使得數(shù)據(jù)傳輸不同步而出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此，應(yīng)盡量采用帶有掉電檢測(cè)功能的微處理器，設(shè)置微處理器掉電復(fù)位門(mén)檻電壓低于I2C串行EEPROM 的欠壓復(fù)位門(mén)檻，使得微處理器與I2C串行EEPROM同步復(fù)位[1]。

（4）為防止總線(xiàn)意外“掛死”，如果設(shè)計(jì)允許，最好能控制I2C器件的電源或選擇帶有復(fù)位引腳的器件。

（5）對(duì)于具有寫(xiě)保護(hù)功能的I2C串行EEPROM，可充分利用寫(xiě)保護(hù)引腳來(lái)提供硬件寫(xiě)保護(hù)功能，將寫(xiě)保護(hù)引腳連接到微處理器的I/O口線(xiàn)上，控制器件在平時(shí)處于寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)；需要寫(xiě)入時(shí)，將寫(xiě)保護(hù)引腳變?yōu)檫壿?ldquo;0”。注意，寫(xiě)保護(hù)引腳不能懸空，否則器件將無(wú)法正常工作。

2 軟件處理措施

在保證硬件電路設(shè)計(jì)可靠的同時(shí)，提高軟件的抗干擾能力同樣重要。在對(duì)I2C串行EEPROM進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，要從兩個(gè)方面進(jìn)行可靠性的設(shè)計(jì)，首先要保證I2C總線(xiàn)通訊的完整和有效性，其次就是保證I2C串行EEPROM讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的正確性。

2.1 保證 I2C總線(xiàn)通訊的完整和有效性措施

2.1.1 總線(xiàn)復(fù)位

前面講到在I2C總線(xiàn)通訊過(guò)程中，由于電磁干擾等因素可能導(dǎo)致總線(xiàn)“掛死”或通訊失效，所以在啟動(dòng)通訊前，應(yīng)先對(duì)I2C串行EEPROM器件進(jìn)行復(fù)位操作，以保證I2C總線(xiàn)處于暢通狀態(tài)。對(duì)于具有復(fù)位引腳的器件，提供復(fù)位信號(hào)重新復(fù)位；而對(duì)于無(wú)復(fù)位引腳的器件，若電路設(shè)計(jì)中能控制其電源，則給器件上電復(fù)位；若無(wú)法控制器件電源，則啟動(dòng)“恢復(fù)序列”復(fù)位?；謴?fù)序列操作流程為：
（1）在SCL線(xiàn)發(fā)送9個(gè)時(shí)鐘脈沖；
（2）由Master保持SDA線(xiàn)為高，直到Slave-Transmitter模式釋放SDA執(zhí)行ACK操作；
（3）在ACK操作時(shí)，保持SDA線(xiàn)為高；
（4）在Master-Receiver和Slave-Transmitter模式都結(jié)束后，Master發(fā)送一個(gè)Stop命令完成初始化總線(xiàn)[1]。

恢復(fù)序列如圖1所示。

2.1.2 通訊流程

對(duì)于具有硬件I2C協(xié)議的微處理器，都有一個(gè)總線(xiàn)狀態(tài)寄存器，每一個(gè)狀態(tài)都有一個(gè)唯一的狀態(tài)碼與之對(duì)應(yīng)，指示總線(xiàn)接口的當(dāng)前狀態(tài)，并且提供下一步的典型操作?？梢猿浞掷眠@些狀態(tài)碼來(lái)判斷總線(xiàn)通訊是否正常，若不正常應(yīng)執(zhí)行總線(xiàn)復(fù)位。若微處理器沒(méi)有I2C協(xié)議接口，而是采用模擬方式對(duì)I2C串行EEPROM操作，那么每步操作后應(yīng)檢測(cè)接收到的ACK信號(hào)，若信號(hào)為邏輯“1”，應(yīng)執(zhí)行總線(xiàn)復(fù)位。

2.2 保證I2C串行EEPROM讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的正確性措施

I2C總線(xiàn)協(xié)議比較簡(jiǎn)單，本身對(duì)數(shù)據(jù)沒(méi)有容錯(cuò)機(jī)制，所以，在保證總線(xiàn)通訊完整和有效的前提下，應(yīng)對(duì)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的正確性采取相應(yīng)的處理機(jī)制。

2.2.1 數(shù)據(jù)分區(qū)存放

重要數(shù)據(jù)和參數(shù)應(yīng)分區(qū)存放，根據(jù)I2C串行存儲(chǔ)容量和存放的數(shù)據(jù)量分為3個(gè)區(qū)域或更多的奇數(shù)個(gè)區(qū)域，多個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)同步刷新，這樣就大大降低了由于強(qiáng)干擾造成的數(shù)據(jù)無(wú)法應(yīng)用的情況。數(shù)據(jù)存放格式如圖2所示。

其中校驗(yàn)碼可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)算速度，選擇單字節(jié)或16 bit CRC碼。

2.2.2 數(shù)據(jù)寫(xiě)入

數(shù)據(jù)寫(xiě)入采取口令校對(duì)機(jī)制，寫(xiě)入數(shù)據(jù)前生成寫(xiě)入口令，在寫(xiě)入子程序入口處檢驗(yàn)口令的正確性，如果口令正確，則啟動(dòng)寫(xiě)入程序，操作完畢后使口令作廢；若口令錯(cuò)誤，則轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處理程序或放棄本次寫(xiě)操作[2]。這樣將杜絕由于程序跑飛等原因造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤改寫(xiě)。

在調(diào)用數(shù)據(jù)寫(xiě)入程序前，根據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則生成所寫(xiě)入數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼，連同校驗(yàn)碼一同寫(xiě)入存儲(chǔ)區(qū)域，并且同步刷新所有區(qū)域。其校驗(yàn)碼是讀取數(shù)據(jù)時(shí)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正確與否的評(píng)判依據(jù)。數(shù)據(jù)寫(xiě)入流程如圖3所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)讀取

讀取數(shù)據(jù)時(shí)，依次從各存放區(qū)域連同數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼同時(shí)讀出，根據(jù)同樣的數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則產(chǎn)生新的校驗(yàn)碼，通過(guò)該校驗(yàn)碼與讀出的校驗(yàn)碼比對(duì)，判斷讀出數(shù)據(jù)的正確性[3]。評(píng)判原則為：若有一個(gè)存放區(qū)域的數(shù)據(jù)是正確的，則結(jié)束讀操作；若所有區(qū)域數(shù)據(jù)都不正確，則轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處理程序或放棄本次操作。數(shù)據(jù)讀取流程如圖4所示。

2.2.4 錯(cuò)誤處理

(1)寫(xiě)入錯(cuò)誤。由于程序跑飛等原因造成非法數(shù)據(jù)進(jìn)入寫(xiě)入子程序入口，若看門(mén)狗未起作用，程序應(yīng)強(qiáng)制轉(zhuǎn)到復(fù)位入口開(kāi)始執(zhí)行，并記錄該事件，以備查詢(xún)。

(2)讀出錯(cuò)誤。若所有區(qū)域數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，條件允許的情況下，應(yīng)發(fā)出告警提示，以避免造成更多的系統(tǒng)傷害；其他情況下應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，判斷與正確結(jié)構(gòu)相近的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，或者將上一次的正確數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，并刷新每個(gè)存放區(qū)域數(shù)據(jù)，記錄該事件，以備查詢(xún)。

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，找出了嵌入式控制系統(tǒng)中使用I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器可能存在的問(wèn)題及其產(chǎn)生的原因，并介紹了相應(yīng)的處理和保護(hù)措施。通過(guò)在產(chǎn)品實(shí)踐中的應(yīng)用，收到了很好的效果，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。這些技術(shù)實(shí)用、可靠，在對(duì)I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)可以借鑒。

參考文獻(xiàn)
[1] Microchip Technology Inc.I2C串行EEPROM系列數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].2008：1-21.
[2] 李維平，張濤，丁振君.延長(zhǎng)EEPROM使用壽命的方法[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（6）：76-78.
[3] 何立民.I2C總線(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995：50-80.

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