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模擬I²C總線多主通信研究與軟件設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-02-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要 介紹I2C的多主節(jié)點(diǎn)原理,并提出一種新的實(shí)現(xiàn)方法。這種采用延時(shí)接收比較來(lái)實(shí)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?qū)崿F(xiàn)I2C的多主,同時(shí)對(duì)I2C的推廣起到了積極作用。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/149666.htm

I2C總線(Inter IC BUS)是Philips公司推出的雙向兩線串行標(biāo)準(zhǔn)。由于它具有接口少、通信效率高等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用[1~3]。它除了可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的單主節(jié)點(diǎn)通信外,還可以應(yīng)用在多主節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)中。在多主節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)中,如果兩個(gè)或者更多的主節(jié)點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸,總線具有沖突檢測(cè)和仲裁功能,保證通信正常進(jìn)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(jìn)行I2C總線。對(duì)于沒(méi)有I2C總線接口的MCU,可以采用兩條I/O接口線進(jìn)行[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(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行的通信,這使得模擬I2C總線的應(yīng)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(diǎn)通信的思想及實(shí)現(xiàn)流程。

1 I2C總線系統(tǒng)簡(jiǎn)介[1~3]

I2C總線系統(tǒng)是由SCL(串行時(shí)鐘)和SDA(串行數(shù)據(jù))兩根總線構(gòu)成的。該總線有嚴(yán)格的時(shí)序要求,總線工作時(shí),由串行時(shí)鐘線SCL傳送時(shí)鐘脈沖,由串行數(shù)據(jù)線SDA傳送數(shù)據(jù)??偩€協(xié)議規(guī)定,各主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)都要有起始、結(jié)束、發(fā)送數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號(hào)。這些信號(hào)都是通信過(guò)程中的基本單元??偩€傳送的每1幀數(shù)據(jù)均是1個(gè)字節(jié),每當(dāng)發(fā)送完1個(gè)字節(jié)后,接收節(jié)點(diǎn)就相應(yīng)給一應(yīng)答信號(hào)。協(xié)議規(guī)定,在啟動(dòng)總線后的第1個(gè)字節(jié)的高7位是對(duì)從節(jié)點(diǎn)的尋址地址,第8位為方向位(“0”表示主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的寫操作;“1”表示主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)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(gè)基本信號(hào)的時(shí)序。

圖1中包括起始信號(hào)、停止信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、非應(yīng)答信號(hào)以及傳輸數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”的時(shí)序。起始信號(hào)就是在SCL線為高時(shí)SDA線從高變化到低;停止信號(hào)就是在SCL線為高時(shí)SDA線從低變化到高;應(yīng)答信號(hào)是在SCL為高時(shí)SDA為低;非應(yīng)答信號(hào)相反,是在SCL為高時(shí)SDA為高。傳輸數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”與發(fā)送應(yīng)答位和非應(yīng)答位時(shí)序圖是相同的。

圖1 I2C總線上基本信號(hào)的時(shí)序

圖2表示了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程。在I2C總線發(fā)送起始信號(hào)后,發(fā)送從機(jī)的7位尋址地址和1位表示這次操作性質(zhì)的讀寫位,在有應(yīng)答信號(hào)后開(kāi)始傳送數(shù)據(jù),直到發(fā)送停止信號(hào)。數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位的。發(fā)送節(jié)點(diǎn)每發(fā)送1個(gè)字節(jié)就要檢測(cè)SDA線上有沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào),有則繼續(xù)發(fā)送,否則將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 一次完整的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程

2 I2C總線的仲裁

在多主的通信系統(tǒng)中??偩€上有多個(gè)節(jié)點(diǎn),它們都有自己的尋址地址,可以作為從節(jié)點(diǎn)被別的節(jié)點(diǎn)訪問(wèn),同時(shí)它們都可以作為主節(jié)點(diǎn)向其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。但是如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都向總線上發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)并開(kāi)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(jìn)行仲裁的判決,這就是I2C總線上的仲裁。

I2C總線上的仲裁分兩部分:SCL線的同步和SDA線的仲裁。SCL同步是由于總線具有線“與”的邏輯功能,即只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平時(shí),總線上就表現(xiàn)為低電平。當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都發(fā)送高電平時(shí),總線才能表現(xiàn)為高電平。正是由于線“與”邏輯功能的原理,當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)時(shí),在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)。這就是SCL的同步原理。

SDA線的仲裁也是建立在總線具有線“與”邏輯功能的原理上的。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送1位數(shù)據(jù)后,比較總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的是否一致。是,繼續(xù)發(fā)送;否則,退出競(jìng)爭(zhēng)。圖3中給出了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在總線上的仲裁過(guò)程。SDA線的仲裁可以保證I2C總線系統(tǒng)在多個(gè)主節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖控制總線時(shí)通信正常進(jìn)行并且數(shù)據(jù)不丟失??偩€系統(tǒng)通過(guò)仲裁只允許一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)占據(jù)總線[1]。

圖3是以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為例的仲裁過(guò)程。DATA1和DATA2分別是主節(jié)點(diǎn)向總線所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào),SDA為總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號(hào),SCL是總線上所呈現(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)1、2同時(shí)發(fā)送起始信號(hào)時(shí),兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)都發(fā)送了高電平信號(hào)。這時(shí)總線上呈現(xiàn)的信號(hào)為高電平,兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)都檢測(cè)到總線上的信號(hào)與自己發(fā)送的信號(hào)相同,繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。第2個(gè)時(shí)鐘周期,2個(gè)主節(jié)點(diǎn)都發(fā)送低電平信號(hào),在總線上呈現(xiàn)的信號(hào)為低電平,仍繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在第3個(gè)時(shí)鐘周期,主節(jié)點(diǎn)1發(fā)送高電平信號(hào),而主節(jié)點(diǎn)2發(fā)送低電平信號(hào)。根據(jù)總線的線“與”的邏輯功能,總線上的信號(hào)為低電平,這時(shí)主節(jié)點(diǎn)1檢測(cè)到總線上的數(shù)據(jù)和自己所發(fā)送的數(shù)據(jù)不一樣,就斷開(kāi)數(shù)據(jù)的輸出級(jí),轉(zhuǎn)為從機(jī)接收狀態(tài)。這樣主節(jié)點(diǎn)2就贏得了總線,而且數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失,即總線的數(shù)據(jù)與主節(jié)點(diǎn)2所發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣,而主節(jié)點(diǎn)1在轉(zhuǎn)為從節(jié)點(diǎn)后繼續(xù)接收數(shù)據(jù),同樣也沒(méi)有丟掉SDA線上的數(shù)據(jù)。因此在仲裁過(guò)程中數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失。

圖3 兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)的仲裁過(guò)程

3 多主通信的原理及其實(shí)現(xiàn)流程

多主通信就是在總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)既可以作為主節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)其他的節(jié)點(diǎn),也可以作為從節(jié)點(diǎn)被其他節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)。當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖占用總線時(shí),就需要總線的仲裁。對(duì)于模擬I2C總線系統(tǒng),怎樣實(shí)現(xiàn)總線的仲裁是現(xiàn)在模擬I2C總線系統(tǒng)的難點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出在系統(tǒng)中增加1根BUSY線,在占用總線之前先檢測(cè)BUSY線,看總線是否被占用。若總線空閑,則設(shè)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(shí)才占有總線。這種實(shí)現(xiàn)多主通信的方法有兩個(gè)缺點(diǎn):① 因?yàn)镮2C最大的優(yōu)點(diǎn)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(shì);② 當(dāng)主節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多時(shí),等待時(shí)間比較長(zhǎng),效率不高。本根據(jù)總線的仲裁原理,提出一種基于延時(shí)比較的仲裁方法。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)想要占用總線時(shí),先檢測(cè)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(shí),將總線上的數(shù)據(jù)接收并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果不同,說(shuō)明總線上同時(shí)還存在其他節(jié)點(diǎn),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(shí)還具有良好的擴(kuò)展性。

圖4 多主通信流程

圖4給出了基于延時(shí)比較的多主通信流程,其中MCU作為從節(jié)點(diǎn)部分的流程在圖5中給出。在節(jié)點(diǎn)發(fā)送起始信號(hào)之前先要檢測(cè)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(cè)方法是,持續(xù)檢測(cè)一段時(shí)間看總線上的電平是否一直為高,若是說(shuō)明總線上為閑狀態(tài),否則說(shuō)明有其他的節(jié)點(diǎn)正在使用總線,要等一段時(shí)間再發(fā)送。當(dāng)總線空閑時(shí),發(fā)送起始信號(hào),接著發(fā)送要訪問(wèn)的從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的接收狀態(tài)。如果沒(méi)有產(chǎn)生沖突,MCU作為主節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),直到任務(wù)結(jié)束,然后發(fā)送停止信號(hào)并返回。如果數(shù)據(jù)不一樣,MCU將跳轉(zhuǎn)到從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。由于在跳轉(zhuǎn)到從節(jié)點(diǎn)接收狀態(tài)的過(guò)程中累加器(ACC)和工作寄存器(Ri)的數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生變化,所以數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失,作為從節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)接收總線上的數(shù)據(jù)。這樣整個(gè)通信的過(guò)程沒(méi)有中斷,數(shù)據(jù)也沒(méi)有丟失。

圖5 從節(jié)點(diǎn)部分的流程

圖5給出了從節(jié)點(diǎn)的流程。進(jìn)入從節(jié)點(diǎn)時(shí),要將BUSY置為高,說(shuō)明MCU現(xiàn)在正在工作,不能完成其他的任務(wù)。在MCU作為從節(jié)點(diǎn)完成接收任務(wù)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(jìn)行比較。如果是訪問(wèn)自己的就進(jìn)入到下面的接收程序,否則跳出。在訪問(wèn)自己的時(shí)候,還要判斷主節(jié)點(diǎn)是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù),以便進(jìn)入相應(yīng)的程序。在寫字節(jié)的子程序中,從節(jié)點(diǎn)每發(fā)送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后都要察看是否有應(yīng)答信號(hào)(ACK),有則說(shuō)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就要發(fā)送1個(gè)應(yīng)答信號(hào)(ACK),以示接收正常,否則主節(jié)點(diǎn)將停止繼續(xù)發(fā)送。在現(xiàn)有的資料中,關(guān)于從節(jié)點(diǎn)的原理和源代碼比較少,這里給出作為從節(jié)點(diǎn)時(shí)寫字節(jié)子程序的源代碼。由于篇幅有限其他的子程序沒(méi)有列出。

4 部分源代碼

本節(jié)是在MCU多主通信中的部分源代碼。多主通信的實(shí)現(xiàn)中有幾個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)。一是在作為主節(jié)點(diǎn)時(shí)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(jìn)行比較并做出判斷。如果數(shù)據(jù)不同,要跳出并進(jìn)入從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。由于子程序返回主程序時(shí)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(jìn)入從機(jī)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(méi)有丟失。二是作為從節(jié)點(diǎn)時(shí)的寫字節(jié)的子程序。由于時(shí)鐘線是由主節(jié)點(diǎn)的MCU控制的,所以怎樣根據(jù)SCL線來(lái)讀取SDA線的數(shù)據(jù)是其中的一個(gè)難點(diǎn)。三是在具有子地址的從節(jié)點(diǎn)關(guān)于是寫字節(jié)還是讀字節(jié)時(shí)的判斷。如果是寫字節(jié)時(shí)主節(jié)點(diǎn)會(huì)給出新的起始信號(hào),并再次發(fā)送從節(jié)點(diǎn)的地址數(shù)據(jù)。這時(shí)從節(jié)點(diǎn)需要做出判斷是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù),并進(jìn)入相應(yīng)的子程序。這里給出以上三個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)的子程序的源代碼,以供讀者參考。這些源代碼經(jīng)實(shí)踐證明都是正確的。

主節(jié)點(diǎn)的寫字節(jié)子程序:

  ;其中的NOP可根據(jù)時(shí)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(diǎn)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(yīng)答信號(hào)

  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(diǎn)的讀字節(jié)同時(shí)判斷是否有起始信號(hào)的子程序。如果有起始信號(hào),則轉(zhuǎn)為寫字節(jié)子程序:

  SRDBYTE:MOV R0,#08H

  SETB 20H;設(shè)置標(biāo)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(jì)器

  DEC R0

  MOV C,ACC.7;判斷是否為起始信號(hào)

  JNC RWAITJ1;為低繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)

  REWAIT: JNB SCL,RWAITJ1;開(kāi)始判斷是否為起始信號(hào)

  JB  SDA,REWAIT

  CLR 20H;是,則清標(biāo)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(jié)

根據(jù)總線協(xié)議中的仲裁原理,提出的基于延時(shí)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(kuò)展性。它使普通不具有I2C接口的MCU可以應(yīng)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(yīng)用局限性,為I2C總線的推廣起到了積極的作用。



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