IC總線的驗(yàn)證及實(shí)現(xiàn)

摘要：本應(yīng)用筆記簡(jiǎn)I2C總線的驗(yàn)證及實(shí)現(xiàn)單回顧了I2C總線的發(fā)展進(jìn)程，并介紹了I2C配置，以簡(jiǎn)化總線上主機(jī)與從機(jī)之間的通信。應(yīng)用實(shí)例提供了原理圖和程序代碼，附錄1提供了本文使用的術(shù)語(yǔ)定義。

引言

80年代初期，Philips Semiconductor為減少電子產(chǎn)品內(nèi)部并行數(shù)據(jù)總線的數(shù)量，開發(fā)了Inter IC (I2C)總線。1992年，Philips?發(fā)布I2C總線的1.0版本，該版本定義了一個(gè)2線、雙向總線，用于IC之間的互聯(lián)。到1998年為止，I2C總線已經(jīng)成為低速IC互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，50家以上的公司使用了該標(biāo)準(zhǔn)，I2C接口被集成在1000多種不同的IC內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)表明，本文提供的I2C總線配置很容易實(shí)現(xiàn)總線上從器件的訪問(wèn)。每個(gè)應(yīng)用實(shí)例給出了原理圖和程序代碼，讀者需要熟悉以下資料：

• I2C總線規(guī)范，2.1版，2000年1月。
  Philips Semiconductor，#9398 393 40011。
• I2C總線及使用，1995年4月。
  Philips Semiconductor，#98-8080-575-01。
• 系統(tǒng)管理總線(SMBus?)規(guī)范，2.0版，2000年8月。

背景及討論

I2C總線能夠工作在標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式或高速模式(Hs)。最大速率分別為100kbps (標(biāo)準(zhǔn)模式)、400kbps (快速模式)、1.7Mbps (Hs模式，Cb = 400pF)和3.4Mbps (Hs模式，Cb = 100pF)。

原標(biāo)準(zhǔn)模式采用7位地址，允許112個(gè)從地址。隨著對(duì)從設(shè)備數(shù)量需求的增加，I2C總線引入了10位地址長(zhǎng)度。

快速模式下，從設(shè)備增加了很多有用功能。最大數(shù)據(jù)速率提高四倍，增加到400kbps?？焖倌Ｊ较翴2C總線還向下兼容，支持速率其它類似的常常連接到I2C總線的總線，例如，一些無(wú)法支持高速率的總線。為抑制噪聲，快速模式器件的輸入采用了施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)；另外還要求I2C從器件在電源掉電時(shí)，其SCL和SDA為高阻態(tài)。

構(gòu)建Hs模式的主要目的是提高數(shù)據(jù)通信速率—數(shù)據(jù)速率是標(biāo)準(zhǔn)模式的36倍。I2C總線工作在Hs模式時(shí)，最主要的影響是SCL線上從低電平到高電平的瞬變；因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模式和快速模式下，總線的上拉電阻不能產(chǎn)生較快的上升時(shí)間，以支持Hs模式的規(guī)格要求。絕大多數(shù)Hs模式系統(tǒng)必須在SCL線上提供有源上拉。其它改變包括：Hs模式的兼容性要求，Hs模式主機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)、快速模式下使用的是8位代碼。如果非應(yīng)答(I2C幀結(jié)構(gòu)的其中1位)在主機(jī)代碼之后立即保持在高電平，那么在停止位出現(xiàn)之前所有通信都將保持在Hs模式。圖1波形演示了如何使用主機(jī)代碼進(jìn)入Hs模式。


圖1. 從快速、標(biāo)準(zhǔn)I2C模式進(jìn)入Hs模式的波形

內(nèi)置I2C接口實(shí)例

PIC18F442微控制器(μC)包含I2C外設(shè)接口，此接口支持標(biāo)準(zhǔn)和快速I2C模式。圖2給出一個(gè)應(yīng)用電路，通過(guò)此接口接收來(lái)自ADC (MAX1169)的采樣數(shù)據(jù)。PIC?收到數(shù)據(jù)后會(huì)以115k波特率的速率通過(guò)UART發(fā)送出去，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RS-232收發(fā)器(MAX3232E)后由計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串口采集。文件I2C_on_chip_asm.zip包括了所有實(shí)現(xiàn)快速模式下PIC片上I2C接口通信的匯編程序。可以使用MPLAB IDE 6.10.00版本開發(fā)圖2電路的匯編程序。


圖2. PIC18F442 μC內(nèi)置I2C接口與16位ADC (MAX1169)的連接

逐位仿真實(shí)現(xiàn)I2C通信

MAXQ2000是低功耗16位RISC μC，能夠以逐位仿真方式實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式甚至1.7MHz Hs模式的I2C通信。圖3給出了MAXQ2000的通用原理圖，可以作為I2C主機(jī)支持三種工作模式。為了支持1.7MHz Hs模式，原理圖中I2C總線采用有源上拉。I2C_bit_bang_asm.zip文件包含了使用μC GPIO口仿真標(biāo)準(zhǔn)、快速模式I2C通信所需的所有匯編程序。


圖3. 該原理圖(基于MAXQ2000低功耗LCD μC)提供了一個(gè)能夠工作在標(biāo)準(zhǔn)、快速或Hs模式的I2C主機(jī)

MAXQ2000的I2C 固件的默認(rèn)時(shí)鐘速率為100kHz，但μC的16MHz系統(tǒng)時(shí)鐘能夠支持逐位仿真的I2C接口工作在400kHz。以下例程演示了捕獲中斷事件并在簡(jiǎn)單中斷服務(wù)程序中處理中斷的過(guò)程。開發(fā)工具使用MAX-IDE 1.0版(開發(fā)日期：2004年11月18日)，該軟件可從Maxim網(wǎng)站免費(fèi)下載。

I2C_bit_bang_c.zip文件中包含了使用MAXQ2000 GPIO口逐位仿真標(biāo)準(zhǔn)、快速模式I2C通信所需的C程序源文件。圖3對(duì)應(yīng)的例程基于maxqi2c庫(kù)文件，包括maxqi2c.h和maxqi2c.c.兩個(gè)文件。將文件加載到用戶工程后，可以在任何GPIO口支持100kHz或400kHz的I2C通信。但是，使用C程序產(chǎn)生特定速率的I2C通信時(shí)，圖3中的Y1必須用20MHz晶體代替15MHz的晶體。本例使用了為MAXQ2000 1.12B版(FAE版)開發(fā)的IAR Embedded Workbench? IDE工具，用戶可以在IAR網(wǎng)站注冊(cè)后免費(fèi)下載用于MAXQ2000的IAR Embedded Workbench (4K，初級(jí)版)。

HSI2C_bit_bang_asm_c.zip文件包含了使用MAXQ2000 GPIO逐位仿真1.7MHz Hs模式I2C通信所需的匯編程序和C程序。源代碼采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合代碼，以便充分發(fā)揮這兩種編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。匯編程序有助于優(yōu)化速度，C程序能夠使源代碼更簡(jiǎn)捷(只需少數(shù)幾行指令)。Hs模式對(duì)時(shí)序要求非?？量?，I2C接收函數(shù)(hsi2cRecv)采用了匯編程序，代碼在hsi2c.asm文件內(nèi)。

主程序C代碼對(duì)MAXQ2000的UART進(jìn)行初始化，波特率為115.2kbps。為了實(shí)現(xiàn)1.7MHz Hs模式I2C通信，圖3中的Y1必須采用20MHz晶體。主程序C代碼在需要時(shí)調(diào)用hsi2cRecv函數(shù)，并使用printf函數(shù)通過(guò)片上UART發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為8-N-1。這里使用Rowley CrossWorks IDE 1.0版(Build 2 Licensed copy)開發(fā)工具。要想獲得CrossWorks IDE工具，請(qǐng)聯(lián)系Rowley Associates Limited或訪問(wèn)其網(wǎng)站。

I2C IP核外設(shè)接口的實(shí)現(xiàn)

DI2CM I2C IP核(由Digital Core Design開發(fā))廣泛用于許多CPLD和FPGA器件。DI2CM I2C IP核將并行接口轉(zhuǎn)換為I2C接口，并可支持主機(jī)真正工作在3.4MHz的Hs模式。圖4應(yīng)用電路中，Altera? EPM3256AQC208-10 CPLD包含DI2CM IP核。此電路需要使用40MHz晶體(U3)以支持1.7MHz和3.4MHz的Hs模式。帶有輸出使能的3態(tài)邏輯緩沖器使DI2CM IP核可以在SCL線上產(chǎn)生有源上拉，以滿足Hs模式下I2C通信的要求。邏輯反相門電路U5、U6和U7用于實(shí)現(xiàn)高電平有效和低電平有效的內(nèi)存映射的并行接口。


詳細(xì)電路圖(PDF, 841KB)
圖4. 按照電路所示配置，Altera EPM3256AQC208-10 CPLD中的DI2CM IP核能夠?qū)崿F(xiàn)Hs模式的I2C主機(jī)

HSI2C_IP_core_asm.zip文件包含了所用用于實(shí)現(xiàn)Hs模式I2C通信所需的匯編程序，通過(guò)連接68HC16的存儲(chǔ)器映射并行接口和使用DI2CM IP核編程的Altera EPM3256 CPLD實(shí)現(xiàn)。本例采用了Motorola? 68HC宏匯編程序，4.1版。

結(jié)論

由于I2C總線是目前業(yè)內(nèi)使用最為廣泛的串行總線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠得到豐富的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的例程。實(shí)施方案有—芯片內(nèi)置、逐位仿真或IP核，具體取決于所使用的系統(tǒng)處理器。使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)示例進(jìn)行開發(fā)時(shí)最簡(jiǎn)捷的途徑，本文給出了三種工作模式下I2C接口的設(shè)計(jì)參考。

　　

附錄1：術(shù)語(yǔ)定義

• CPLD：復(fù)雜編程邏輯器件
• DI2CM：由Digital Core Design開發(fā)的Hs模式I2C IP核
• FPGA：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列
• GPIO：通用輸入/輸出
• hsi2cRecv：Hs模式I2C接收功能函數(shù)，采用匯編程序
• Hs-mode：高速I2C模式
• IC：集成電路
• IDE：集成開發(fā)環(huán)境
• IP：知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)
• I2C：內(nèi)部IC總線
• MAXQ2000：低功耗16位RISC微控制器
• RS-232：推薦標(biāo)準(zhǔn)#232
• SCL：用于I2C總線的硬件串行時(shí)鐘線
• SDA：用于I2C總線的硬件串行數(shù)據(jù)線
• UART：通用異步收發(fā)器
• μC：微控制器
• 8-N-1：8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1位停止位