摘要：介紹模擬I2C總線的多主節(jié)點通信原理，并提出一種新的實現(xiàn)方法。這種采用延時接收比較來實現(xiàn)仲裁的方法，可使不具有I2C接口的普通微控制器(MCU)能夠實現(xiàn)模擬I2C總線的多主通信，同時對I2C總線的推廣起到了積極作用。 關鍵詞：模擬I2C總線 仲裁 多主通信 I2C總線(Inter IC BUS)是Philips公司推出的雙向兩線串行通信標準。由于它具有接口少、通信效率高等優(yōu)點，現(xiàn)已得到廣泛的應用\[1"3\]。它除了可以進行簡單的單主節(jié)點通信外，還可以應用在多主節(jié)點的通信系統(tǒng)中。在多主節(jié)點通信系統(tǒng)中，如果兩個或者更多的主節(jié)點同時啟動數(shù)據(jù)傳輸，總線具有沖突檢測和仲裁功能，保證通信正常進行并防止數(shù)據(jù)破壞?，F(xiàn)在許多微控制器(MCU)都具有I2C總線接口，能方便地進行I2C總線設計。對于沒有I2C總線接口的MCU，可以采用兩條I/O接口線進行模擬\[2，3\]。目前，一些介紹模擬I2C的資料主要講的是在單主節(jié)點系統(tǒng)中進行的通信，這使得模擬I2C總線的應用具有一定的局限性。本文根據(jù)總線仲裁的思想，提出一種多主節(jié)點通信的思想及實現(xiàn)流程。 1 I2C總線系統(tǒng)簡介[1"3] I2C總線系統(tǒng)是由SCL(串行時鐘)和SDA(串行數(shù)據(jù))兩根總線構成的。該總線有嚴格的時序要求，總線工作時，由串行時鐘線SCL傳送時鐘脈沖，由串行數(shù)據(jù)線SDA傳送數(shù)據(jù)。總線協(xié)議規(guī)定，各主節(jié)點進行通信時都要有起始、結束、發(fā)送數(shù)據(jù)和應答信號。這些信號都是通信過程中的基本單元?？偩€傳送的每 1幀數(shù)據(jù)均是1個字節(jié)，每當發(fā)送完1個字節(jié)后，接收節(jié)點就相應給一應答信號。協(xié)議規(guī)定，在啟動總線后的第1個字節(jié)的高7位是對從節(jié)點的尋址地址，第8位為方向位(“0”表示主節(jié)點對從節(jié)點的寫操作;“1”表示主節(jié)點對從節(jié)點的讀操作)，其余的字節(jié)為操作數(shù)據(jù)。圖1列出I2C總線上幾個基本信號的時序。 圖1中包括起始信號、停止信號、應答信號、非應答信號以及傳輸數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”的時序。起始信號就是在SCL線為高時SDA線從高變化到低;停止信號就是在SCL線為高時SDA線從低變化到高;應答信號是在SCL為高時SDA為低;非應答信號相反，是在SCL為高時SDA為高。傳輸數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”與發(fā)送應答位和非應答位時序圖是相同的。 圖2表示了一個完整的數(shù)據(jù)傳送過程。在I2C總線發(fā)送起始信號后，發(fā)送從機的7位尋址地址和1位表示這次操作性質的讀寫位，在有應答信號后開始傳送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送停止信號。數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位的。發(fā)送節(jié)點每發(fā)送1個字節(jié)就要檢測SDA線上有沒有收到應答信號，有則繼續(xù)發(fā)送，否則將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 2 I2C總線的仲裁 在多主的通信系統(tǒng)中?？偩€上有多個節(jié)點，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節(jié)點被別的節(jié)點訪問，同時它們都可以作為主節(jié)點向其他的節(jié)點發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。但是如果有兩個或兩個以上的節(jié)點都向總線上發(fā)送啟動信號并開始傳送數(shù)據(jù)，這樣就形成了沖突。要解決這種沖突，就要進行仲裁的判決，這就是 I2C總線上的仲裁。
3 多主通信的原理及其實現(xiàn)流程 多主通信就是在總線上有多個節(jié)點。這些節(jié)點既可以作為主節(jié)點訪問其他的節(jié)點，也可以作為從節(jié)點被其他節(jié)點訪問。當有多個節(jié)點同時企圖占用總線時，就需要總線的仲裁。對于模擬I2C總線系統(tǒng)，怎樣實現(xiàn)總線的仲裁是現(xiàn)在研究模擬I2C總線系統(tǒng)的難點。文獻\[4\]提出在系統(tǒng)中增加1根BUSY線，在占用總線之前先檢測BUSY線，看總線是否被占用。若總線空閑，則設置BUSY線并向總線上傳送數(shù)據(jù);否則，接收數(shù)據(jù)，直到總線空閑時才占有總線。這種實現(xiàn)多主通信的方法有兩個缺點：① 因為I2C最大的優(yōu)點就是接口少、效率高，這樣做不僅增加了使用資源而且減少了I2C總線的優(yōu)勢;② 當主節(jié)點數(shù)比較多時，等待時間比較長，效率不高。本設計根據(jù)總線的仲裁原理，提出一種基于延時比較的仲裁方法。當主節(jié)點想要占用總線時，先檢測總線上是否空閑，如果總線是空閑的就發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，將總線上的數(shù)據(jù)接收并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進行比較。如果不同，說明總線上同時還存在其他節(jié)點，于是就退出;否則，一直到發(fā)送完數(shù)據(jù)。這種方法既體現(xiàn)了I2C總線的高效性，同時還具有良好的擴展性?！ ?
圖4給出了基于延時比較的多主通信流程，其中MCU作為從節(jié)點部分的流程在圖5中給出。在節(jié)點發(fā)送起始信號之前先要檢測一下總線上是否為空閑狀態(tài)(BUSY是否為0)。這里使用的檢測方法是，持續(xù)檢測一段時間看總線上的電平是否一直為高，若是說明總線上為閑狀態(tài)，否則說明有其他的節(jié)點正在使用總線，要等一段時間再發(fā)送。當總線空閑時，發(fā)送起始信號，接著發(fā)送要訪問的從節(jié)點的地址字節(jié)。每發(fā)送1位數(shù)據(jù)就接收比較1次，看發(fā)送和接收的是否一致，若是則繼續(xù)，否則跳出到從節(jié)點的接收狀態(tài)。如果沒有產(chǎn)生沖突，MCU作為主節(jié)點繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到任務結束，然后發(fā)送停止信號并返回。如果數(shù)據(jù)不一樣，MCU 將跳轉到從節(jié)點狀態(tài)。由于在跳轉到從節(jié)點接收狀態(tài)的過程中累加器(ACC)和工作寄存器(Ri)的數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化，所以數(shù)據(jù)沒有丟失，作為從節(jié)點可以繼續(xù)接收總線上的數(shù)據(jù)。這樣整個通信的過程沒有中斷，數(shù)據(jù)也沒有丟失?！ ?
圖5給出了從節(jié)點的流程。進入從節(jié)點時，要將BUSY置為高，說明MCU現(xiàn)在正在工作，不能完成其他的任務。在MCU作為從節(jié)點完成接收任務后，要將 BUSY置為低。MCU在接收到尋址字節(jié)后與自己的地址字節(jié)進行比較。如果是訪問自己的就進入到下面的接收程序，否則跳出。在訪問自己的時候，還要判斷主節(jié)點是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，以便進入相應的程序。在寫字節(jié)的子程序中，從節(jié)點每發(fā)送1個字節(jié)的數(shù)據(jù)后都要察看是否有應答信號(ACK)，有則說明數(shù)據(jù)接收到了;否則要跳出等待，重新發(fā)送。在讀字節(jié)的子程序中，每接收1個字節(jié)的數(shù)據(jù)就要發(fā)送1個應答信號(ACK)，以示接收正常，否則主節(jié)點將停止繼續(xù)發(fā)送。在現(xiàn)有的資料中，關于從節(jié)點的原理和源代碼比較少，這里給出作為從節(jié)點時寫字節(jié)子程序的源代碼。由于篇幅有限其他的子程序沒有列出。 [b] 4 部分源代碼[/b] 本節(jié)是在MCU多主通信中的部分源代碼。多主通信的實現(xiàn)中有幾個難點和重點。一是在作為主節(jié)點時的寫字節(jié)子程序，里面要包括發(fā)送的每位數(shù)據(jù)和總線的數(shù)據(jù)進行比較并做出判斷。如果數(shù)據(jù)不同，要跳出并進入從節(jié)點的狀態(tài)。由于子程序返回主程序時改變的只是PC的值而累加器(ACC)和工作寄存器(Ri)里面的值是不變的，因此MCU進入從機狀態(tài)后繼續(xù)接收總線剩下的數(shù)據(jù)，這樣總線的數(shù)據(jù)并沒有丟失。二是作為從節(jié)點時的寫字節(jié)的子程序。由于時鐘線是由主節(jié)點的 MCU控制的，所以怎樣根據(jù)SCL線來讀取SDA線的數(shù)據(jù)是其中的一個難點。三是在具有子地址的從節(jié)點關于是寫字節(jié)還是讀字節(jié)時的判斷。如果是寫字節(jié)時主節(jié)點會給出新的起始信號，并再次發(fā)送從節(jié)點的地址數(shù)據(jù)。這時從節(jié)點需要做出判斷是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，并進入相應的子程序。這里給出以上三個重點和難點的子程序的源代碼，以供讀者參考。這些源代碼經(jīng)實踐證明都是正確的。 主節(jié)點的寫字節(jié)子程序： ;其中的NOP可根據(jù)時鐘的快慢自己加減 WRBYTE:MOV R0,#08H CLR BUSY;將BUSY值清零 WLP: RLC A;取數(shù)據(jù)位 JC WR1 SJMP WR0;判斷數(shù)據(jù)位 WLP1: DJNZ R0,WLP NOP OUT1: RET WR1: SETB SDA;發(fā)送1 NOP SETB SCL MOV C,SDA;判斷是否與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同 JC GOON SETB BUSY AJMP OUT1 GOON: NOP NOP NOP CLR SCL SJMP WLP1 WR0: CLR SDA;發(fā)送0 NOP SCL NOP NOP NOP NOP NOP CLR SCL SJMP WLP1 從節(jié)點的寫字節(jié)子程序(返回為ACK)： SWRBYTE:MOV R0,#08H WAGAIN: RRC A MOV B,#37H WWAIT1: JB SCL,WWAIT1;等待SCL為低 JC WR1;判斷是發(fā)送“1”還是發(fā)送“0” SETB SDA;發(fā)送“1” AJMP COM WR1: CLR SDA;發(fā)送“0” COM: DJNZ R0,WWAIT2;判斷是否發(fā)送完畢 WWAIT3: JNB SCL,WWAIT3;發(fā)送完畢等待應答信號 WWAIT4: JB SCL,WWAIT4 WWAIT5: JNB SCL,WWAIT5 CLR ACK JB SDA,ST0 SETB ACK ST0: RET;返回 WWAIT2: JNB SCL,WWAIT2;等待SCL為高 SJMP WAGAIN 從節(jié)點的讀字節(jié)同時判斷是否有起始信號的子程序。如果有起始信號，則轉為寫字節(jié)子程序： SRDBYTE:MOV R0,#08H SETB 20H;設置標志位判斷是讀還是寫 SETB SDA;釋放總線 RWAITJ: JNB SCL,RWAITJ;等待SCL為高 MOV C,SDA;從總線上讀取數(shù)據(jù) RRC A;存入累計器 DEC R0 MOV C,ACC.7;判斷是否為起始信號 JNC RWAITJ1;為低繼續(xù)讀取數(shù)據(jù) REWAIT: JNB SCL,RWAITJ1;開始判斷是否為起始信號 JB SDA,REWAIT CLR 20H;是，則清標志位并返回 AJMP SjRDOUT RWAITJ1:JB SCL,RWAITJ1;等待SCL為低 RWAITJ3:JNB SCL,RWAITJ3;等待SCL為高 MOV C,SDA RRC A DJNZ R0,RWAITJ2 SjRDOUT:RET RWAITJ2:JB SCL,RWAITJ2;等待SCL為低繼續(xù)讀數(shù)據(jù) SJMP RWAITJ3 5 總結 根據(jù)總線協(xié)議中的仲裁原理，提出的基于延時比較的模擬I2C多主通信的方法，不僅能夠體現(xiàn)了I2C總線的高效性，而且還具有良好的擴展性。它使普通不具有I2C接口的MCU可以應用在多主通信的系統(tǒng)中，既增加了普通MCU的使用范圍，又突破了模擬I2C總線的應用局限性，為I2C總線的推廣起到了積極的作用。 參考文獻 1 The I2C?Bus Specification, Version 2.1. January, 2000. http://www.philips.com 2 張昆,邱揚,劉浩. 基于CPLD的系統(tǒng)中I2C總線的設計. 電子技術應用，2003(11) 3 何立民. I2C總線應用系統(tǒng)設計. 北京：北京航空航天大學出版社，1995 4 張冬梅,藩仕彬,何為民. 模擬I2C總線多主通信的通用軟件包. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2003(12) 鄭旭陽、李兵兵、黃新平：碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字通信與通信系統(tǒng)。
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