MSP430與I2C總線接口技術的研究

[b] 引言 [/b] MSP430單片機自從2000年問世以來，就以其功能完善、超低功耗、開發(fā)簡便的特點得到了許多設計人員的青睞。MSP430與傳統(tǒng)的51單片機在結構上有很大的區(qū)別。其中之一就是：在MSP430的外圍接口電路中，沒有提供像51那樣控制外設讀、寫、地址鎖存信號的硬件電路。與這種接口電路相適應，MSP430更傾向使用I2C總線以及ISP等基于串行接口的外圍器件。另一方面，隨著I2C技術的發(fā)展和成熟，其硬件結構簡單、高速傳輸、器件豐富等特點使該類器件的應用越來越廣泛。因此研究新型單片機MSP430與I2C總線接口技術有著重要的意義。本文針對這一問題進行研究，分析研究了 MSP430與I2C總線接口的原理和方法，提出了高效的接口方法，介紹了優(yōu)化的程序。 [b]1 MSP430單片機I/O端口控制特點 [/b]與8031單片機相比，MSP430的I/O端口的功能要強大的多，其控制的方法也更為復雜。MSP430的I/O端口可以實現(xiàn)雙向的輸入、輸出;完成一些特殊功能如：驅(qū)動LCD、A/D轉(zhuǎn)換、捕獲比較等;實現(xiàn)I/O各種中斷。MSP430采用了傳統(tǒng)的8位端口方式保證其兼容性，即每個I/O端口控制8個I/O引腳。為了實現(xiàn)對I/O端口每一個引腳的復雜控制，MSP430中的每個I/O口都對應一組8位的控制寄存器(如圖1)。寄存器中的每一位對應一個I/O引腳，實現(xiàn)對該引腳的獨立控制。寄存器的功能和數(shù)目是由該I/O口所能完成的功能以及類型確定的。[2] 圖1為MSP430的一個I/O端口的控制結構示意圖。對于最基本的只能完成輸入、輸出功能的I/O端口其控制寄存器只有3個。其中，輸入寄存器保存輸入狀態(tài);輸出寄存器保存輸出的狀態(tài)，方向寄存器控制對應引腳的輸入、輸出狀態(tài)。本文中用來實現(xiàn)I2C總線接口的P6.6、P6.7都屬于這類的端口。此外，有些I/O端口不但可以用作基本的輸入輸出，而且可以用作其他用途，比如可以作為LCD的驅(qū)動控制引腳。這類端口的控制功能寄存器實現(xiàn)引腳功能狀態(tài)的切換。再者，有一類端口不但可以完成上述兩種端口的功能，而且可以實現(xiàn)中斷功能。該類端口擁有圖1中所有的寄存器，中斷觸發(fā)的方式以及中斷的屏蔽性都可以通過相應的寄存器控制。本文中使用的P2.0就屬于該類端口，利用它來接收LM92發(fā)出的中斷。

通過上述的控制結構，MSP430的I/O端口可以實現(xiàn)很豐富的功能。不僅如此，其中一些I/O口還可以與MSP430中的特殊模塊相結合完成更為復雜的工作。如與捕獲比較模塊相結合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結合實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。此外，MSP430 I/O端口的電器特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有20mA的驅(qū)動能力，對于一般的LED、蜂鳴器可以直接驅(qū)動無需輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便與外圍器件的接口。 [b]2 MSP430與I2C總線器件接口 [/b]通過上述的介紹了解了MSP430中I/O口的一些控制特點。以下介紹如何利用這些特點實現(xiàn)I2C總線的接口。如圖2所示，使用41系列單片機的 P6.6產(chǎn)生I2C總線的時序同步信號;使用P6.7完成I2C總線的串行數(shù)據(jù)輸入輸出;利用P2.0接收LM92產(chǎn)生的中斷信號。基于I2C總線規(guī)范，通過對LM92的A0、A1和AT240的A0、A1、A2設定不同的器件地址，兩個器件可以共用SCL、SDA。

[b] 2.1 I/O端口引腳控制 [/b]與8031不同，MSP430沒有位空間，也沒有專門執(zhí)行位操作的控制電路。那么對于一個指定的I/O端它是如何進行控制的呢?MSP430中有關位操作的指令都是通過邏輯運算實現(xiàn)的。[3]例如： BISB #01000010B,P1OUT ; 將P1.6和P1.1置位XORB #01000010B,P1OUT ; 邏輯或運算 該例中的置位指令BISB是用原操作數(shù)(01000010)與目的操作數(shù)(P1OUT)做邏輯或運算得到的。因此該命令與第二行的指令是等效的。雖然，這樣的控制方法比起8031略顯復雜，但它的控制能力有所增強。從例子中不難看出，這種方式可以同時控制多個端口位。 [b]2.2 簡化I2C接口的方法 [/b]眾所周知，實現(xiàn)I2C總線協(xié)議主要是控制SDA、SCL使其產(chǎn)生協(xié)議所規(guī)定的各種時序。要控制P6.7、P6.6產(chǎn)生I2C總線要求的各種時序，就要頻繁使用到輸入、輸出以及方向寄存器。而要減少代碼的量，簡化接口控制，最直接的方法就是減少有關寄存器操作次數(shù)。要實現(xiàn)這一想法需要軟硬件結合，充分利用I/O口的特點以及I2C總線協(xié)議的特點。

仔細觀察圖3的基本數(shù)據(jù)操作時序[1]可以發(fā)現(xiàn)：第一，I2C總線在無數(shù)據(jù)傳輸時均處于高電平狀態(tài);第二，SDA引腳是數(shù)據(jù)的輸入輸出端，它的狀態(tài)變化最為復雜，控制它需要頻繁的使用P6IN、P6OUT、P6DIR三個寄存器。 圖2中的R1、R2是上拉電阻，其阻值由選用的I2C總線器件的電器特性確定。在本文中這兩個電阻不但起上拉的作用，還有助于解決第一個問題。當 P6.6、P6.7處于接收狀態(tài)時，上拉電阻可以將該點的電平拉升為VCC，從而確?？偩€空閑時有穩(wěn)定的高電平。 延續(xù)以上的思路可以發(fā)現(xiàn)，方向寄存器相應位為輸入時，就等于給I2C從器件發(fā)送了邏輯1。那么如何發(fā)送邏輯0呢?將對應的方向控制位設為輸出，然后輸出寄存器相應位置為0就可以實現(xiàn)。再進一步，如果將輸出寄存器對應為設為0，只控制方向寄存器的變化就可以發(fā)送兩種邏輯電平。這樣，在發(fā)送數(shù)據(jù)時只需要控制方向寄存器。對于SDA需要頻繁切換輸入輸出狀態(tài)的特點，本方法可以減少15%左右的代碼量，并使程序更清晰。這樣就為第二個問題找到了很好的解決方法。 [b]3 I2C總線控制時序的實現(xiàn) [/b]以上講述了I2C總線最基本的操作時序。I2C總線中的各種操作都是由這些基本操作組合完成的。由于I2C總線器件的類型、功能、結構不盡相同，因此每一種器件具體控制時序有所區(qū)別。圖4是AT2402讀取指定字節(jié)數(shù)據(jù)控制時序。從圖中可以看出一個讀取操作中要使用到起始、發(fā)送字節(jié)、處理回應、接收字節(jié)、停止這些基本操作。附錄中的代碼就實現(xiàn)了這個時序。對于AT2402還有其他控制的時序，如字節(jié)寫時序、數(shù)據(jù)頁讀時序、地址讀取時序等等[1]。附錄中代碼對基本操作分別編寫為子程序。對于不同的功能時序，可以通過子程序的調(diào)用來實現(xiàn)。

LM92是一種高精度的溫度傳感器，它也采用I2C總線方式控制。圖5是該器件讀取溫度數(shù)據(jù)的時序。因為它的功能和結構與AT2402有很大的區(qū)別，所以二者控制時序不盡相同。如圖4和圖5，雖然都是實現(xiàn)讀取操作，但是二者時序差別很大，LM92的控制時序明顯要復雜的多。不過仔細分析可以看出這些時序也都是由一些基本操作組合實現(xiàn)的。這樣就可以在上述方法的基礎上完善LM92所需要的基本操作子程序，進而根據(jù)時序需要安排子程序?qū)崿F(xiàn)對LM92的各種控制。

綜上所述，要實現(xiàn)I2C總線的控制時序，需要仔細分析各種器件的時序要求及特點，構建所有的基本操作，并按時序要求合理安排基本操作。 [b]4結束語 [/b]應用上述的設計方法和電路，實現(xiàn)了MSP430與I2C總線器件的接口，很好的控制AT2402和LM92，達到了預期的目標。實踐證明該方法對實現(xiàn)I2C總線器件控制非常有效，而且使用該方法編制的程序代碼量小，執(zhí)行效率高。該方法為MSP430與I2C總線接口提供了一種可行的方案。