I2C總線在多機通信中的應用

摘要：介紹了I2C總線的結構、工作原理、數(shù)據(jù)傳輸方式，討論了基于I2C總線的多機通信軟硬件設計，實現(xiàn)了程控交換多機通信調度指揮系統(tǒng)。 關鍵詞：I2C總線 多機通信 軟硬件設計 I2C（Inter Integrated Circuit）總線是Philips公司開發(fā)的一種雙向兩線主機總線，它能方便地實現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。通過兩線緩沖接口和內部控制與狀態(tài)寄存器，可方便地完成多機間的非主從通信或主從通信?；贗2C總線的多機通信電路結構簡單、程序編寫方便，易于實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的模塊化和標準化。 本文給出了基于I2C總線的多機通信調度指揮系統(tǒng)方案，討論了系統(tǒng)的軟硬件設計。 1 系統(tǒng)硬件設計 本調度指揮系統(tǒng)由主機和調度操作臺兩部分組成，工作原理如圖1所示，兩者間通過RS422總線實現(xiàn)較長距離的數(shù)據(jù)傳送。主機和操行臺內部均采用分散多處理器控制，處理器間采用I2C總線進行數(shù)據(jù)通信。主機內部采用分散控制方式，整個交換系統(tǒng)被分割成多個用戶子系統(tǒng)及1個通信子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由一個CPU處理單元負責128個用戶的呼叫控制和管理，多個子系統(tǒng)之間通信I2C組成一個無主通信總線進行信息交互（如呼叫處理信息、維護信息等），構成一個完整的交換系統(tǒng)。 調度操作臺由操作臺控制CPU、顯示屏及多個用戶鍵板構成，支持128～1024個操作按鍵和256～2048個LED指示燈，每個操作按鍵可縮位一組電話號碼對應主機內的一個電話用戶，雙燈組合指示該電話用戶狀態(tài)，并支持LCD中文顯示。操作臺內部主控CPU與用戶鍵板控制CPU之間通過I2CU叫線組成主從通信總線進行信息交互（按鍵信息、LED顯示信息）。 1．1 主機I2C總線構成 子系統(tǒng)的CPU處理單元由Philips-80C652單片機配合外圍電路（如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和I/O驅動等）構成，80C652具有一個支持雙向數(shù)據(jù)傳送的I2C總線串行接口，I2C總線邏輯根據(jù)路徑自動地進行數(shù)據(jù)傳送。CPU對I2CU總線的訪問通過以下四個特殊功能寄存器完成： S1CON（D8H） SIO1控制寄存器 S1STA（D9H） SIO1狀態(tài)寄存器 S1DAT（DAH） SIS1數(shù)據(jù)寄存器 S1ADR（DBH） SIO1從地址寄存器 SIO1邏輯通過P1.6/SCL和P1.7/SDA兩個引腳連接到外部I2C總線，可工作于以下四種模式：主發(fā)送模式、主接收模式、從接收模式、從發(fā)送模式。各子系統(tǒng)間的I2C接口復接即構成了主機I2C通信總線，通票用無主通信方式，每個CPU既可以響應通用地址的廣播呼叫，也可以進行點對點的通信，完全滿足程控交換的信息傳送要求且結構簡單。連接示意圖如圖2所示。1．2 調度臺I2C總線構成 操作臺控制CPU板由Philips-80C652單片機配合外圍電路（如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和顯示驅動電路等）構成，其P1.6-SCL、P1.7-SDA為I2C總線接口SIO1。單片機的SIO1通過MC3486/3487與主機通過RS422接口通信，SIO1與用戶鍵板的P87LPC764通信，最多可支持63塊用戶鍵板的通信連接。 每個用戶鍵板均采用Philips-P87LPC764單片機控制，每塊鏈板提供64個用戶按鍵及128個用戶鍵燈。P87LPC764是51LPC系列OTP單片機，其最大特點是改進型80C51系列，增加了WDT看門狗、I2C總線、三個模擬量比較器、上電復位檢測，保證I/O口驅動電流達到20mA，運行速度為標準80C51的2倍，而且溫度范圍達到了工業(yè)級標準（-40℃～+85℃）。該芯片的I2C總線系統(tǒng)包括一個可簡化軟件驅動的I2C總線硬件。除了必要總線仲裁、錯誤檢測、時鐘擴展和總線超時定時器外，包括一個一位接口，這個接口通過循環(huán)查詢或中斷同步軟件。 采用該設計的優(yōu)點在于系統(tǒng)擴充性強，軟件功能分擔：由P87LPC764進行按鍵掃描和LED顯示處理，大大減輕了主CPU-80C652的負擔；由于P87LPC764性價比優(yōu)越，比專用鍵盤電路更便宜，功能上也可靈活改變；鍵板可按需配置，只需簡單的4線連接（SDA、SCL、+5V、GND）。調度臺I2C總線連接示意圖如圖3所示。2 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送方式 I2C總線器件之間通信串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL傳送數(shù)據(jù)，交換信息。每個器件（微控制器、LCD驅動器、存儲器或鍵盤接口）都要設置一個獨特的地址碼以示驅別。根據(jù)通訊要求，器件可以工作于發(fā)送或接收方式，并允許有多個設備作為主站控制總線?？偩€上主和從、發(fā)送和接收的關系僅取決于每次數(shù)據(jù)傳送的方向。 2．1 I2C總線傳輸數(shù)據(jù)格式 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式如圖4所示。 S:start信號； SLA：從機地址，也可以是通用地址； R/W：讀寫控制位； A：ACK響應； DATA0～DATA7：每組傳送8個數(shù)據(jù)字節(jié)； S/P：下一個start或stop信號。首先發(fā)送開始（start）信號，然后傳送第一個字節(jié)：高7位是從機地址，低位表示讀/寫（R/W）狀態(tài)，“0”表示寫操作，“1”表示讀操作。由于CPU之間采用無主通信或主從通信，一般只采用主發(fā)送和從接收模式，因此該位均值0表示數(shù)據(jù)發(fā)送；總線上的每個物理器件判斷接收的地址與本機地址是否一致，地址一致，返回ACK，進行正常的數(shù)據(jù)傳送。每個地址或數(shù)據(jù)后必須跟應答信號，當一個正常的應答信號有效時，SCL時鐘為高電平，接收模塊數(shù)據(jù)線SDA置低，同時按字節(jié)傳送數(shù)據(jù)，傳送結束由發(fā)送端發(fā)送stop信號或下一個start信號。 從機地址由各CPU按統(tǒng)一原則進行分析，主機各子系統(tǒng)可按各自的系統(tǒng)號從01H開始編排，00H作為通用呼叫地址；調度臺80C652地址取01H，P87LPC764地址范圍為40H～7FH，其它地址待擴充。 處理器之間采用固定8字節(jié)數(shù)據(jù)通信：DATA0、DATA1、DATA2、DATA3、DATA4、DATA5、DATA6、DATA7。 DATA0：目的地址，發(fā)送時可根據(jù)該地址確定從機地址； DATA1：源地址； DATA2：消息編碼，可按需分配； DATA3～DATA7：該消息應攜帶的其它必要信息。 以調度臺為例，80C652向P86LPC764發(fā)送LED燈顯示數(shù)據(jù)：目址、源址、55H（消息編碼），鍵地址、左燈狀態(tài)、右燈狀態(tài)、#0EEH、#0EEH。 目址：即P87LPC764地址、40H～7FH； 源址：即80C652地址，01H； 鍵地址：每片P86LPC764所處理的按鍵地址，00H～3FH（64鍵）； 燈狀態(tài)：即讓對應燈處于滅、常亮、閃爍等狀態(tài)值。圖53 通信軟件設計 主機和調度臺80C652單片機上電時首先裝載本機從地址和通用地址，設置I2C總線為高中斷。由中斷處理程序自動接收數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并查詢是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，若有，進行相應發(fā)送信息，按要求進行相關處理，并查詢是否有數(shù)據(jù)需發(fā)送，若有填入發(fā)送緩沖區(qū)，設置待發(fā)送S1CON標志，由中斷處理程序發(fā)送。流程如圖5所示。 鍵板I2C總線軟件處理過程為：鍵板P87LPC764初始化，裝載本機從地址，設置定時器I為高中斷，PIC總線普通中斷。主程序中進行I2CU總線數(shù)據(jù)發(fā)送檢查，進行重發(fā)處理；接收數(shù)據(jù)處理；待發(fā)送數(shù)據(jù)處理及設置主站待發(fā)。定時器I負責監(jiān)視I2C總線，計時溢出復位I2C接口硬件。I2C中斷處理程序完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送工作。流程如圖6所示。圖6本設計采用I2C總線實現(xiàn)調度指揮系統(tǒng)中多模塊間的雙向通信，電路設計簡單，易于模塊化及擴展。