I2C串行總線在單片機(jī)8031應(yīng)用系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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1 I2C總線概述
I2C （inter IC bus）總線是由Philips公司提出的串行通信接口規(guī)范，常見的中文譯名有“集成電路間總線”或“內(nèi)部集成電路總線”。它使用兩條線：串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL），使連接到該總線上可訪問的器件之間傳送信息，屬于多主控制總線?？偩€上的每個(gè)器件均可設(shè)置唯一的地址，從而可實(shí)現(xiàn)器件的有效訪問。自Philips公司推出I2C總線后，Philips公司及其他公司紛紛相繼推出了許多I2C總線產(chǎn)品，如各種微處理器、存儲器（PCF8571/8570，128/256 字節(jié)）、A/D（PCF8591）、D/A（TDA8442/8444）轉(zhuǎn)換器、E2PROM及各種I2C總線接口電路（PCF8584）等。由于I2C總線的使用可以簡化電路，省掉了很多常規(guī)電路中的接口器件，提高產(chǎn)品的可靠性，在許多領(lǐng)域尤其在目前使用的IC卡獲得了廣泛的應(yīng)用，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7816-2規(guī)定了IC卡與讀寫設(shè)備信息傳輸是基于I2C總線傳輸協(xié)議的。不僅如此，I2C總線在家電方面也有較廣泛的應(yīng)用，如國產(chǎn)長虹NC-3機(jī)芯彩電，東芝火箭炮等。盡管Philips公司推出帶有I2C 總線接口的80C31系列單片機(jī)，如：8XC528、8XC552、8XC562、8XC751等，但在單片機(jī)組成的智能化儀表和測控系統(tǒng)中，乃有相當(dāng)比例數(shù)量使用的是MCS51、AT89C5X系列單片機(jī)，如8031、8751、AT89C51、AT89C52等，它們不具有I2C串行總線接口。本文將結(jié)合筆者在開發(fā)智能化產(chǎn)品用到的E2PROM，介紹在不具有I2C串行總線接口的單片機(jī)8031應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)I2C總線接口的方法和軟件設(shè)計(jì)。
2 I2C總線的組成及I2C總線性能
2.1 I2C總線的特點(diǎn)
由于I2C總線僅用二條線來傳達(dá)信息，因而具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
?、?可最大限度地簡化結(jié)構(gòu)；可實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。
?、?標(biāo)準(zhǔn)I2C總線模塊的組合開發(fā)方式大大地縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。
?、?I2C總線系統(tǒng)具有很大的靈活性；I2C總線各節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立的電氣特性。
?、?I2C總線系統(tǒng)可方便地對某一節(jié)點(diǎn)電路故障進(jìn)行診斷與跟蹤，有很好的可維護(hù)性。
2.2 I2C總線的組成
I2C總線是芯片間串行傳輸總線，與SPI，MICROWIRE/PLUS接口不同，它以一根串行數(shù)據(jù)線和一根串行時(shí)鐘線組成，如圖1所示，它是全雙工雙向數(shù)據(jù)傳輸線，核心是主控CPU，被控器的SDA，SCL要相應(yīng)地接到I2C總線的SDA，SCL上，可以方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。I2C總線采用了器件地址的硬件設(shè)置方法，從而使硬件系統(tǒng)具有簡單而靈活的擴(kuò)展方法。按照I2C總線的規(guī)定，其SDA、SCL各要通過上拉電阻接到電源VCC上。
圖1 I2C總線的組成
2.3 I2C總線協(xié)議
任何總線的推出及應(yīng)用都有其特有的規(guī)定，其總線時(shí)序圖如圖2所示。
圖2 I2C總線時(shí)序圖
I2C總線一般須滿足如下協(xié)議：
?、?只有當(dāng)總線不忙時(shí)，數(shù)據(jù)傳送才能開始；
?、?數(shù)據(jù)傳送期間，無論何時(shí)時(shí)鐘線為高，數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)鐘線為高時(shí)，數(shù)據(jù)線的變化將認(rèn)為是傳送的開始或停止；
?、?當(dāng)時(shí)鐘線為高時(shí)，數(shù)據(jù)線由高到低的變化決定開始條件；
?、?當(dāng)時(shí)鐘線為高時(shí)，數(shù)據(jù)線由低到高的變化決定停止條件；
?、?在開始條件后，SCL低電平期間，SDA允許變化，每位數(shù)據(jù)需一個(gè)時(shí)鐘脈沖，當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA必須穩(wěn)定；
?、?主控器在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖高電平期間釋放SDA線高，轉(zhuǎn)由接收器控制。受控器在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖高電平期間必須拉低SDA線，以使之為穩(wěn)定的低電平作為有效應(yīng)答；
?、?總線不忙時(shí)，數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線保持為高電平。
2.4 I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸方式
圖3為I2C 總線數(shù)據(jù)傳輸格式示意圖，第一部分為數(shù)據(jù)傳輸起始信號，即由此開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；第二部分為受控IC的地址，用來選擇向哪一個(gè)受控IC傳送數(shù)據(jù)；第三部分為讀/寫位，它指示出受控IC的工作方式；第四部分為應(yīng)答信號，它是被CPU選中的受控IC向CPU傳回的確認(rèn)信號；第五部分為傳送的數(shù)據(jù)；第六部分為停止位。在I2C總線上掛接的所有被控IC都要有一個(gè)自己的地址，CPU在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，I2C總線上的所有被控IC都會將CPU發(fā)出位于起始信號后面的受控電路地址與自己的地址相比較，如果兩者相同，則該被控IC認(rèn)為自己被CPU選中，然后按照讀/寫位規(guī)定的工作方式接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。
| 起始 | 被控IC地址 | 讀/寫控制位 | 應(yīng)答位 | 數(shù)據(jù) | 停止 |
圖3 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸格式 3 I2C總線在單片機(jī)8031中的實(shí)現(xiàn) 因?yàn)?031單片機(jī)不帶有I2C總線硬件接口，只能靠編寫軟件來模擬I2C總線時(shí)序。這里以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中較為常見的E2PROM中AT24C02為例，給出了在8031上利用I/O線實(shí)現(xiàn)I2C串行總線的方法和軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)I2C總線時(shí)序圖和I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，給出詳細(xì)的AT24C02起始、停止、發(fā)送和接收R7個(gè)字節(jié)的驅(qū)動程序清單。
圖4 I2C總線接口原理圖 ORG ×××× ??；程序開始地址。 4 結(jié)束語 本文給出了用8031匯編語言模擬I2C總線的時(shí)序的起始、停止及主控器向I2C總線的發(fā)送和接收R7字節(jié)的程序，讀者也可根據(jù)I2C總線的操作時(shí)序在ATMEL89系列、68HC05系列等單片機(jī)及其外設(shè)接口如8255、8155或74LS377上實(shí)現(xiàn)I2C總線的操作，具有一定的通用性，且易于嵌入移植。 參考文獻(xiàn) |
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