模擬I2C總線多主節(jié)點(diǎn)通信原理及實(shí)現(xiàn)方法

摘要 介紹模擬I2C總線的多主節(jié)點(diǎn)通信原理，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）能夠實(shí)現(xiàn)模擬I2C總線的多主通信，同時(shí)對(duì)I2C總線的推廣起到了積極作用。

　　I2C總線（Inter IC BUS）是PHILIPS公司推出的雙向兩線串行通信標(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。現(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總線設(shè)計(jì)。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(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。總線傳送的每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)在研究模擬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。本設(shè)計(jì)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