一種I2C設(shè)備控制方法的設(shè)計和實現(xiàn)

1 引 言

I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。AT91SAM7X256是Atmel公司于2005年推出的基于ARM7的工業(yè)級芯片，他以體積小、功耗低、連接方式廣泛、處理資源豐富、控制靈活等特點受到嵌入式領(lǐng)域開發(fā)人員的重視。本文介紹AT91SAM7X256的I2C控制器TWI接口(two-wired interface)的使用方法，并以I2C設(shè)備E2PROM和日歷時鐘芯片為例，實現(xiàn)AT91SAM7X256對時間數(shù)據(jù)的讀取與存儲。同時，為了驗證時間數(shù)據(jù)的讀取與存儲是否正確，使用AT91SAM7X256的在線仿真器J-LINK將E2PROM中的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存進行檢查。

ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件模塊結(jié)構(gòu)

電路的硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

AT91SAM7X256的TWI接口由一根時鐘線TWCK和一根數(shù)據(jù)線TWD組成，產(chǎn)生的信號時序符合I2C總線規(guī)范;PCF8563是Philips公司推出的一款內(nèi)含I2C總線接口功能的工業(yè)級時鐘芯片;AT24C08是Atmel公司推出的符合I2C規(guī)約的兩線串口E2PROM.AT91SAM7X256的TWCK和TWD分別與芯片PCF8563和AT24C08的SCL與SDA相連，CPU通過TWI接口將時間數(shù)據(jù)讀出并存儲。為了保證CPU不沖突的訪問PCF8563和AT24C08,本文將AT24C08的A2管腳接高電平。由于I2C總線空閑時為高電平，所以為實現(xiàn)線與功能，總線上連接的設(shè)備均是集電極開路的，因此總線需外接上拉電阻R.AT91SAM7X256的TWI有主從2種工作模式，本文中AT91SAM7X256作為控制方，應(yīng)工作于主模式。

2.2 AT91SAM7X256的TWI接口

AT91SAM7X256的TWD和TWCK管腳與設(shè)備的I/O管腳復用，同時AT91SAM7X256采用單獨控制功能單元的省電方案，電源管理單元PMC控制各功能單元的時鐘是否工作，所以要使用TWI接口，需要首先配置TWD和TWCK為外設(shè)連線和開路狀態(tài)，其次配置PMC使TWI時鐘處于工作狀態(tài)。

TWI接口可提供高達400 kb/s的傳輸速率，為使得數(shù)據(jù)的傳輸速率面向不同應(yīng)用，可以通過配置時鐘脈沖發(fā)生器的控制寄存器TWI_CWEG調(diào)整TWCK的信號頻率。

TWI接口產(chǎn)生的信號時序符合I2C總線規(guī)范，當讀/寫1個字節(jié)數(shù)據(jù)時，主設(shè)備需提供從設(shè)備的設(shè)備地址、內(nèi)部地址、讀寫控制以及起始標志和停止標志。在數(shù)據(jù)的收發(fā)過程中，主要使用控制寄存器TWI_CR、主模式寄存器TWI_MMR、內(nèi)部地址寄存器TWI_IADR、狀態(tài)寄存器TWI_SR、傳輸保持寄存器TWI_THR和接收保持寄存器TWI_RHR.從設(shè)備地址在TWI_MMR中設(shè)置，從設(shè)備的內(nèi)部地址在TWI_IADR中設(shè)置;在TWI_CR中設(shè)置是否發(fā)送起始信號和停止信號;NAK(無應(yīng)答)、OVER(運行錯誤)、TXRDY(發(fā)送準備好)、RXRDY(接收準備好)、TX-COMP(傳輸完成)等狀態(tài)位通過查詢WI_SR得到。

寫數(shù)據(jù)的過程包括：當TWI_THR寫入數(shù)據(jù)后，CPU產(chǎn)生起始信號啟動傳輸，TWI_THR中的數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后由TWD傳輸出去，當CPU收到從設(shè)備的應(yīng)答信號后，TWI_SR的TXRDY將自動置1,說明數(shù)據(jù)已寫入從設(shè)備。讀數(shù)據(jù)的過程包括：CPU發(fā)出起始信號后，若TWI_SR的RXRDY位為1,則說明TWI_RHR中有數(shù)據(jù)等待接收，當TWI_RHR中的數(shù)據(jù)被讀出后，則RXRDY自動置為0.當讀/寫數(shù)據(jù)完畢后，CPU將產(chǎn)生一個停止信號結(jié)束傳輸，TWI_SR的TXCOMP將自動置1.

2.3 PCF8563日歷時鐘芯片的使用方法

按I2C協(xié)議規(guī)約，PCF8563具有惟一的設(shè)備地址0A2H.本文重點研究PCF8563時、分、秒數(shù)據(jù)的讀取方法，在此用到的內(nèi)部寄存器包括控制/狀態(tài)寄存器1(地址為00H)、秒寄存器(地址為02H)、分寄存器(地址為03H)、小時寄存器(地址為04H)。由于寄存器中以BCD格式存儲時、分、秒數(shù)據(jù)，所以各時間時間寄存器的高位無效。

為使PCF8563工作于普通模式，需要將控制/狀態(tài)寄存器1置為00H,同時為了存儲正確的時間數(shù)據(jù)，需要將讀到的數(shù)據(jù)中無效的高位進行屏蔽。若需要校對時間，只需對時、分、秒寄存器進行寫操作即可。

2.4 AT24C08的使用方法

AT24C08是容量為8192 b(1024 B)的E2PROM.AT24C08內(nèi)部分為4頁，每一頁有256字節(jié)單元，所以若要訪問某個單元則需要10位進行尋址，其中最高兩位是頁地址，低8位是頁內(nèi)地址。設(shè)備地址的定義如圖2所示，其中P1P0對應(yīng)頁地址，管腳A2可為AT24C08設(shè)定兩組設(shè)備地址。當A2為低電平時，4頁的設(shè)備地址分別為0A0H,0A2H,0A4H,0A6H;當A2為高電平時;反之為0A8H,0AAH,0ACH,0AEH.因此，為了避免AT24C08與PCF8563的設(shè)備地址沖突，需將A2連接高電平。

AT24C08的寫操作支持字節(jié)寫和頁面寫兩種方式。字節(jié)寫方式中每寫一個字節(jié)均需主設(shè)備提供起始信號、設(shè)備地址、內(nèi)部地址以及停止信號;頁面寫方式即連續(xù)寫數(shù)據(jù)，需主設(shè)備提供起始標志、設(shè)備地址以及內(nèi)部地址，數(shù)據(jù)全部寫完后再發(fā)送停止標志。

AT24C08的讀操作支持當前地址讀、隨機讀和順序讀3種方式。當前地址讀表示從當前內(nèi)部地址單元讀出1個字節(jié)，所以主設(shè)備僅需提供起始信號、設(shè)備地址和停止信號;隨機讀表示從任意內(nèi)部地址單元讀出1個字節(jié)，所以主設(shè)備需要先提供1次起始信號、設(shè)備地址、寫操作、設(shè)備內(nèi)部地址和停止信號，設(shè)定設(shè)備的內(nèi)部地址，之后再按當前地址讀方式讀數(shù)據(jù)即可;順序讀表示從當前地址開始連續(xù)讀多個字節(jié)，所以主設(shè)備需提供起始信號、設(shè)備地址、讀操作，數(shù)據(jù)全部讀完后再發(fā)送停止信號。