單片機的I2C總線擴展和I2C虛擬技術(shù)
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在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，要處理的數(shù)據(jù)不僅很多，而且很重要時，通常的做法是用并行口擴展單片機外部數(shù)據(jù)存儲器芯片。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了一些新的數(shù)據(jù)要求非常嚴格的芯片，比較典型的有基于I2C總線接口的24系列，基于SPI總線的25系列，以及并行總線接口的28系列，29系列，這些芯片的特點是芯片掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，數(shù)據(jù)可以保存幾年、甚至幾十年，這些芯片采用I2C、SPI或Microwire串行總線協(xié)議，與單片機接口通常僅占用2～4個I/O口，可以最大限度地節(jié)省單片機的資源，并且數(shù)據(jù)可以反復(fù)擦寫。
I2C總線采用二線傳輸，即SDA串行數(shù)據(jù)線和SCL串行時鐘，在總線上擴展的外圍器件及外圍設(shè)備接口通過總線尋址，圖2為I2C總線構(gòu)成的輸入/輸出、顯示、ADC/DAC以及鍵盤、顯示電路。在SDA和SCL上掛接單片機CUP和外圍器件(如I/O、ADC、DAC、存儲器)和外設(shè)接口(如鍵盤、顯示器、打印機等)，所有掛接在I2C總線上的器件和接口電路都應(yīng)具有I2C總線接口，將所有的SDA/SCL同名端相連。
I2C總線為同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線，其總線傳輸速率為100 KB/s，改進后為400 KB/s，總線驅(qū)動能力為400 PF，通過驅(qū)動擴展可達4 000 PF，在圖1中只表示I2C總線上外圍擴展的節(jié)點，其總線的節(jié)點的尋址方法為，確定總線上的主節(jié)點(主控器件)，在任何時刻總線上只有一個主節(jié)點(一個主控器件)，實現(xiàn)總線的控制操作，由主控器對總線上的其他節(jié)點尋址，分時實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸。因此總線上每個節(jié)點都有一個固定的節(jié)點地址。I2C總線每次傳送數(shù)據(jù)，都是由主器件發(fā)送起始信號開始，送停止信號結(jié)束，當SCL時鐘線為高電平時，SDA出現(xiàn)由高到低的下降沿，即總線的起始信號，相反，當SDA出現(xiàn)上升沿時為結(jié)束信號，在起始信號和停止信號之間是尋址信息和數(shù)據(jù)信息，圖2為I2C的操作時序。
I2C總線上的單片機都可作為主節(jié)點，其器件地址由軟件給出。存放在I2C總線的地址寄存器，稱為主器件的從地址。器件地址由7位組成和一個方向位構(gòu)成尋址字節(jié)SLA，尋址字節(jié)格式如下：
DA3～DA0為器件地址，由器件出廠時給定的固定地址編碼；A2～A0為器件在電路中接電源或地的不同，形成的地址數(shù)據(jù)；R/W——數(shù)據(jù)傳輸方向，規(guī)定總線上主節(jié)點對從節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸方向，R——接收，W——發(fā)送。表1為常用外圍器件的節(jié)點地址。
2 單主系統(tǒng)的I2C總線的虛擬技術(shù)
在單主系統(tǒng)中，I2C總線上只有一個單片機，由于總線上只有一個單片機成為主節(jié)點，在這種情況下，對于沒有I2C總線的單片機，可以用兩根I/O線來虛擬I2C總線接口，在采用虛擬串行擴展接口時，可根據(jù)系統(tǒng)的資源情況選用具體的I/O口線，可以設(shè)計出各種類型接口的虛擬軟件包，只要安裝軟件包和定義相應(yīng)的I/O端口，使用極其靈活方便，這種方式稱為單主方式I2C總線虛擬(簡稱主方式)。
2.1 單主方式下的數(shù)據(jù)操作格式
2.1.1 主發(fā)送的數(shù)據(jù)操作格式
主節(jié)點向由尋址字節(jié)指令的外圍器件節(jié)點發(fā)送N個字節(jié)數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)傳送過程中數(shù)據(jù)的傳送方向不變，操作格式如下：
其中S.SLAW、data1～N、P～為主節(jié)點發(fā)送，從節(jié)點接收；A～主節(jié)點接收，從節(jié)點發(fā)送；SLAW～尋址字節(jié)(寫)；data1～dataN：寫入從節(jié)點的N個數(shù)據(jù)。
(2) 主接收的數(shù)據(jù)操作格式
主節(jié)點要求被尋址的從節(jié)點(外圍器件)發(fā)送N個字節(jié)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)操作格式如下：
2.1.2 主方式下的虛擬I2C總線軟件包
在使用虛擬I2C總線時，有一個通用的主方式I2C軟件包，并在此基礎(chǔ)上給出歸一化操作命令。即在使用I2C虛擬總線時，只要在程序存儲器的任一空間，裝入通用軟件包作為I2C總線應(yīng)用程序設(shè)計的軟件支持。在應(yīng)用中只須將軟件包中標記賦值即可。
這些標記符有：
VSDA～虛擬I2C總線數(shù)據(jù)線；VSCL～虛擬I2C總線時鐘線；SLA～尋址字節(jié)存放單元；SLAW～尋址字節(jié)寫；SLAW～尋址字節(jié)讀；NUMBYT～傳送字節(jié)數(shù)據(jù)存放單元；MTD～發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；MRD～接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
在程序中嵌入了通用I2C軟件包并進行標號賦值后，歸一化的操作命令有三條：
MOV SLA，#SLAW/#SLAR；指向那個節(jié)點，并認定發(fā)送(SLAW)還是接收(SLAR)；MOV NUMBYT，#N；傳送幾個字節(jié)；LCALL WRNBYT/RDNBYT；調(diào)用接收或發(fā)送子程序。
以圖1為例，假定在嵌入了通用I2C軟件包的情況下，使用主方式的I2C虛擬技術(shù)，標記符的偽定義為：
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