單片機(jī)的I2C總線(xiàn)擴(kuò)展和I2C虛擬技術(shù)

1 I2C總線(xiàn)的基本概念及一般特征

在單片機(jī)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(shí)，通常的做法是用并行口擴(kuò)展單片機(jī)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片。近年來(lái)，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(yán)格的芯片，比較典型的有基于I2C總線(xiàn)接口的24系列，基于SPI總線(xiàn)的25系列，以及并行總線(xiàn)接口的28系列，29系列，這些芯片的特點(diǎn)是芯片掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)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(xiàn)協(xié)議，與單片機(jī)接口通常僅占用2～4個(gè)I/O口，可以最大限度地節(jié)省單片機(jī)的資源，并且數(shù)據(jù)可以反復(fù)擦寫(xiě)。

I2C總線(xiàn)采用二線(xiàn)傳輸，即SDA串行數(shù)據(jù)線(xiàn)和SCL串行時(shí)鐘，在總線(xiàn)上擴(kuò)展的外圍器件及外圍設(shè)備接口通過(guò)總線(xiàn)尋址，圖2為I2C總線(xiàn)構(gòu)成的輸入/輸出、顯示、ADC/DAC以及鍵盤(pán)、顯示電路。在SDA和SCL上掛接單片機(jī)CUP和外圍器件(如I/O、ADC、DAC、存儲(chǔ)器)和外設(shè)接口(如鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)等)，所有掛接在I2C總線(xiàn)上的器件和接口電路都應(yīng)具有I2C總線(xiàn)接口，將所有的SDA/SCL同名端相連。

I2C總線(xiàn)為同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)，其總線(xiàn)傳輸速率為100 KB/s，改進(jìn)后為400 KB/s，總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力為400 PF，通過(guò)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展可達(dá)4 000 PF，在圖1中只表示I2C總線(xiàn)上外圍擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)，其總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)的尋址方法為，確定總線(xiàn)上的主節(jié)點(diǎn)(主控器件)，在任何時(shí)刻總線(xiàn)上只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)(一個(gè)主控器件)，實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)的控制操作，由主控器對(duì)總線(xiàn)上的其他節(jié)點(diǎn)尋址，分時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。因此總線(xiàn)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)地址。I2C總線(xiàn)每次傳送數(shù)據(jù)，都是由主器件發(fā)送起始信號(hào)開(kāi)始，送停止信號(hào)結(jié)束，當(dāng)SCL時(shí)鐘線(xiàn)為高電平時(shí)，SDA出現(xiàn)由高到低的下降沿，即總線(xiàn)的起始信號(hào)，相反，當(dāng)SDA出現(xiàn)上升沿時(shí)為結(jié)束信號(hào)，在起始信號(hào)和停止信號(hào)之間是尋址信息和數(shù)據(jù)信息，圖2為I2C的操作時(shí)序。

I2C總線(xiàn)上的單片機(jī)都可作為主節(jié)點(diǎn)，其器件地址由軟件給出。存放在I2C總線(xiàn)的地址寄存器，稱(chēng)為主器件的從地址。器件地址由7位組成和一個(gè)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(shí)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(xiàn)上主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)地址。

2 單主系統(tǒng)的I2C總線(xiàn)的虛擬技術(shù)

在單主系統(tǒng)中，I2C總線(xiàn)上只有一個(gè)單片機(jī)，由于總線(xiàn)上只有一個(gè)單片機(jī)成為主節(jié)點(diǎn)，在這種情況下，對(duì)于沒(méi)有I2C總線(xiàn)的單片機(jī)，可以用兩根I/O線(xiàn)來(lái)虛擬I2C總線(xiàn)接口，在采用虛擬串行擴(kuò)展接口時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)的資源情況選用具體的I/O口線(xiàn)，可以設(shè)計(jì)出各種類(lèi)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(chēng)為單主方式I2C總線(xiàn)虛擬(簡(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)向由尋址字節(jié)指令的外圍器件節(jié)點(diǎn)發(fā)送N個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)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(diǎn)發(fā)送，從節(jié)點(diǎn)接收；A～主節(jié)點(diǎn)接收，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送；SLAW～尋址字節(jié)(寫(xiě))；data1～dataN：寫(xiě)入從節(jié)點(diǎn)的N個(gè)數(shù)據(jù)。

(2) 主接收的數(shù)據(jù)操作格式

主節(jié)點(diǎn)要求被尋址的從節(jié)點(diǎn)(外圍器件)發(fā)送N個(gè)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(xiàn)軟件包

在使用虛擬I2C總線(xiàn)時(shí)，有一個(gè)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(xiàn)時(shí)，只要在程序存儲(chǔ)器的任一空間，裝入通用軟件包作為I2C總線(xiàn)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的軟件支持。在應(yīng)用中只須將軟件包中標(biāo)記賦值即可。

這些標(biāo)記符有：

VSDA～虛擬I2C總線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)；VSCL～虛擬I2C總線(xiàn)時(shí)鐘線(xiàn)；SLA～尋址字節(jié)存放單元；SLAW～尋址字節(jié)寫(xiě)；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(jìn)行標(biāo)號(hào)賦值后，歸一化的操作命令有三條：

MOV SLA，#SLAW/#SLAR；指向那個(gè)節(jié)點(diǎn)，并認(rèn)定發(fā)送(SLAW)還是接收(SLAR)；MOV NUMBYT，#N；傳送幾個(gè)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(biāo)記符的偽定義為：