如何通過(guò)I2C總線(xiàn)I/O口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多個(gè)功能？

1 引言

隨著單片機(jī)控制系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大以及控制功能不斷增多，有限的單個(gè)單片機(jī)通用I/O口已不能滿(mǎn)足同一系統(tǒng)中控制多個(gè)受控對(duì)象需要，隨著FC總線(xiàn)研究的深入，用I2C總線(xiàn)擴(kuò)展單片機(jī)I/O口的方法在全自動(dòng)、半自動(dòng)儀器的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文介紹了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)FC總線(xiàn)擴(kuò)展I/O口實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多個(gè)功能。給出了系統(tǒng)的硬件連接以及Atmega128與三個(gè)Atmega168之間的軟件通信流程圖。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖1是作者所研究的測(cè)試系統(tǒng)的整體框圖，本系統(tǒng)中主要芯片PHILIPS公司的LPC2292，在此系統(tǒng)中鍵盤(pán)上其中三個(gè)按鈕分別控制三個(gè)電機(jī)，系統(tǒng)的主要功能是LPC2292將掃描到的鍵盤(pán)信息發(fā)給Atmega128單片機(jī)，Atmega128單片機(jī)通過(guò)I2C總線(xiàn)尋址Atmega168，并向被尋址的Atmega168發(fā)送電機(jī)控制命令，最后，電機(jī)根據(jù)Atmega168控制策略正常運(yùn)行。電機(jī)啟動(dòng)同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊也開(kāi)始正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集模塊把采到數(shù)據(jù)送到LPC2292的A/D轉(zhuǎn)換接口，然后將ADC輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD。系統(tǒng)中的撥碼開(kāi)關(guān)用于設(shè)置相應(yīng)的Atmega168單片機(jī)的地址，當(dāng)單片機(jī)Atmega128接收到LPC2292發(fā)來(lái)的控制命令時(shí)，通過(guò)I2C總線(xiàn)尋址Atmega168，當(dāng)某個(gè)Atmega168的地址與Atmega128廣播地址相同時(shí)，它就開(kāi)始根據(jù)Atmega128發(fā)送的命令控制電機(jī)開(kāi)始工作。

圖1基于I2C總線(xiàn)的I/O擴(kuò)展框圖

3 I2C總線(xiàn)

I2C總線(xiàn)是PHILIPS公司推出的芯片間串行數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)，軟、硬件協(xié)議十分巧妙，2根線(xiàn)(SDA，SCL)HP可實(shí)現(xiàn)完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，能夠十分方便地構(gòu)成單主系統(tǒng)或多主系統(tǒng)和外同器件擴(kuò)展系統(tǒng)。不過(guò)，多主系統(tǒng)(即系統(tǒng)中有多個(gè)I2C總線(xiàn)接口的單片機(jī))會(huì)出現(xiàn)多主競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜狀態(tài)。I2C器件是把I2C的協(xié)議植入器件的I/O接口，使用時(shí)器件直接掛到I2C總線(xiàn)上，這一特點(diǎn)給用戶(hù)在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)帶來(lái)了極大的方便。I2C器件無(wú)須片選信號(hào)，是否選中是由主器件發(fā)出的I2C從地址決定的。

所有掛到I2C總線(xiàn)的外圍器件，各自都有一個(gè)唯一確定的地址。任何時(shí)刻總線(xiàn)上只有一個(gè)主控器件對(duì)總線(xiàn)實(shí)行控制權(quán)，分時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。I2C總線(xiàn)上所有外闈器件都有規(guī)范的器件地址，器件地址由7位組成，它和1位方向位(R/W)構(gòu)成了I2C總線(xiàn)器件的尋址字節(jié)SLA，格式如下：

器件地址(A6，A5，A4，A3)是I2C總線(xiàn)外圍接口器件同有的地址編碼(4位或5位)，器件出廠(chǎng)時(shí)已固化好。引腳地址(A2，A1，A0)和器件在電路中的實(shí)際接法有關(guān)(地址線(xiàn)、電源或地)，形成地址數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)方向位(R/W)規(guī)定了總線(xiàn)上的主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送方向，當(dāng)(R/W)位置1時(shí)接收，當(dāng)(R/W)為0時(shí)發(fā)送。圖1中的撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置了從單片機(jī)Atmega168的地址，也就是從機(jī)地址的低三位(A2，AI，A0)，當(dāng)某個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)的某個(gè)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，相應(yīng)的地址位為零，否則相應(yīng)位為1，因此可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)上開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)設(shè)定從單片機(jī)Atmega168的地址，比如某個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)與A0、A2位對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合，與Al對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，那么這個(gè)單片機(jī)地址的低三位為010。

4 I2C通信的流程圖

根據(jù)I2C總線(xiàn)的傳輸協(xié)議規(guī)范和硬件連接，作者給出了如圖2和圖3基本程序流程圖和部分程序。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為c語(yǔ)言，與匯編語(yǔ)言相比，可以提高軟件的執(zhí)行速度。

4．1 主機(jī)發(fā)送/從機(jī)接收I2C子程序流程圖

圖2和圖3給出了主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收I2C子程序流程圖，通過(guò)I2C總線(xiàn)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí)，I2C總線(xiàn)的控制寄存器的中斷位必須先置位，為了避免因?yàn)槟撤N原因不能使控制寄存器的中斷位置位而導(dǎo)致程序進(jìn)入死循環(huán)，作者在I2C總線(xiàn)通信程序發(fā)送/接收數(shù)據(jù)前編寫(xiě)了中斷循環(huán)等待和錯(cuò)誤處理程序，大大提高了程序的可靠性，具體程序如下：

while(!(TWCR & (1<

if(j>10000) return O：

應(yīng)用I2C總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，作者采用了狀態(tài)位查詢(xún)方法，并且給出了錯(cuò)誤標(biāo)志置位、錯(cuò)誤跳出程序，下面的程序是發(fā)送從機(jī)地址的部分程序：

switch(TWSR & 0XF8)

{

case Oxl8: flag=0; break;

case 0x20：flag=1; break;

case 0x38：flag=l; break;

default：return 0：

}

if(flag) continue；

圖2 I2C主機(jī)發(fā)送程序框圖

程序中的flag=0表示從機(jī)地址發(fā)送成功，flag=1表示從機(jī)地址發(fā)送失敗，當(dāng)TWSR寄存器中的狀態(tài)碼為0x18時(shí)，表明從機(jī)地址已發(fā)送，并且接收到ACK，同時(shí)錯(cuò)誤標(biāo)志“flag”置0，下一步通過(guò)心發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)TWSR寄存器中的狀態(tài)碼為0x20時(shí)，表明從機(jī)地址已發(fā)送，但是接收到NO ACK，同時(shí)錯(cuò)誤標(biāo)志”flag”置1，下一步執(zhí)行“if(flag)continue；”語(yǔ)句，結(jié)束本次循環(huán)，當(dāng)TWSR寄存器中的狀態(tài)碼為0x38時(shí)，表明從機(jī)地址仲裁失敗，同時(shí)錯(cuò)誤標(biāo)志“flag”置1，下一步執(zhí)行“if(flag)continue；"語(yǔ)句，結(jié)束本次循環(huán)。總線(xiàn)將釋放，并進(jìn)入未尋址從機(jī)模式，總線(xiàn)空閑后將發(fā)送“start”。程序中“if(flag)continue；”語(yǔ)句使得當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗時(shí)，結(jié)束本次循環(huán)，返回到開(kāi)始等待發(fā)送命令，這樣避免了由于偶爾數(shù)據(jù)發(fā)送失敗造成整個(gè)程序無(wú)法運(yùn)行，甚至整個(gè)設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，因而，用“if(flag)continue；”語(yǔ)句結(jié)束錯(cuò)誤傳輸?？商岣逫2C通信的質(zhì)量，同時(shí)也提高了使用I2C總線(xiàn)通信的設(shè)備的效率。

圖3 從機(jī)接收流程圖

4．2 編程中的注意事項(xiàng)

a)在主機(jī)或從機(jī)初始化時(shí)，一定要設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸方向；

b)由于每次發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí)TWCR寄存器的中斷標(biāo)志位必須置位，因此程序中要有等待TWCR寄存器中斷位置位程序，同時(shí)，為了避免由于某種原因?qū)е轮袛辔徊荒苤梦辉斐傻却绦蜻M(jìn)入死循環(huán)，在等待中斷位置位程序中要有等待超時(shí)返回程序。

c)I2C總線(xiàn)的使用，除了基本的啟動(dòng)、結(jié)束、應(yīng)答、非應(yīng)答子程序外，還應(yīng)有應(yīng)答位檢查、發(fā)送和接收單字節(jié)、發(fā)送和接收多字節(jié)等子程序。

5 結(jié)論

作者在程序流程的每個(gè)關(guān)鍵部分都設(shè)置了錯(cuò)誤查詢(xún)和錯(cuò)誤處理，使得I2C程序能夠從錯(cuò)誤中自動(dòng)恢復(fù)，避免了由于I2C通信導(dǎo)致的錯(cuò)誤而使得系統(tǒng)無(wú)法正常工作，文中還給出了部分發(fā)送子程序和編程注意事項(xiàng)。對(duì)于圖2和圖3的I2C通信流程，作者已在多個(gè)科研項(xiàng)目中進(jìn)行了編程使用。實(shí)踐證明，按上述流程編寫(xiě)I2C通信程序，主從單片機(jī)之間的通信非?？煽?。