基于I2C總線的PIC單片機(jī)端口擴(kuò)展技術(shù)

1. 概述

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在機(jī)電產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。一方面，希望單片機(jī)構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)功能盡可能強(qiáng)大，處理能力強(qiáng)，控制對(duì)象多；另一方面，又希望整個(gè)系統(tǒng)的成本盡可能低，即性價(jià)比好。因此，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到單片機(jī)I/0接口資源不夠用的情形，在一些較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)中,由于被控對(duì)象較多，如控制多個(gè)LED數(shù)碼管的顯示、超過30路狀態(tài)的顯示等，此時(shí)，端口供需矛盾尤其突出, 通常的解決方法是采用8155 , 8255 , 8259 , 74HC164,74HC165,74LS373 及74LS245 等外擴(kuò)I/0 接口, 這樣必然會(huì)使系統(tǒng)更加復(fù)雜, 成本增加, 可靠性下降。

目前，功能較強(qiáng)的單片機(jī)中大多采用了FLASH技術(shù)，并且在傳統(tǒng)的USART串行通信功能的基礎(chǔ)上增加了諸如SPI、I2C、CAN等先進(jìn)實(shí)用的功能；并且許多外圍芯片具有I2C之類的通信接口，如具有64個(gè)按鍵、8×8個(gè)LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)的ZLG7290芯片。因此，單片機(jī)端口擴(kuò)展可選用更方便、功能更強(qiáng)的擴(kuò)展途徑。

I2C(內(nèi)部集成電路，Inter IC,IC TO IC)總線是Philips Semiconductors在20世紀(jì)80年代中期開發(fā)的，最初用于音頻和視頻目的。將I2C擴(kuò)展為系統(tǒng)管理總線SMBus后可用于電源管理及CPU與其它組件的通信。I2C支持多主控模式，2.1版規(guī)定的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下為最高100kbit/s,快速模式下為400kbit/s，高速模式下為 3.4Mbit/s[1]。由于只需要微控制器的兩個(gè)端口引腳就可以傳輸任意特性的數(shù)據(jù)，所以I2C總線協(xié)議得到了廣泛的應(yīng)用，并促進(jìn)了大量的I2C外部芯片的開發(fā)。I2C總線可用于控制IC卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[2] 、LCD控制、時(shí)鐘控制[3]、存貯器控制[4]、、多機(jī)通信[5]等。本文主要討論MICROCHIP公司的PIC18F458用于控制汽車車身狀態(tài)顯示時(shí)，基于I2C接口的ZLG7290芯片的控制問題。

2. I2C總線的工作時(shí)序

串行總線I2C由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成，掛接在I2C總線上的器件可以是主控器Master（負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)鐘SCL信號(hào)）,也可以是從動(dòng)器件 Slave,可作為發(fā)送器，也可作為接收器。I2C總線轉(zhuǎn)換一次為9位，前8位按自MSB至LSB的順序傳送數(shù)據(jù)，第9位為應(yīng)答ACK位，SCL信號(hào)為高電平時(shí)，SDA狀態(tài)的變化用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和停止。并且，每一個(gè)數(shù)據(jù)位的傳送，需要一個(gè)SCL周期的支持，數(shù)據(jù)傳送過程中，SCL為高電平時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)必須保持，僅當(dāng)SCL為低時(shí)，才可改變SDA線的狀態(tài)（數(shù)據(jù)）?；綢2C通信的過程為：START(RESTART)à7bit外設(shè)芯片地址+R/~W控制位à8bit外設(shè)芯片內(nèi)部寄存器地址à傳送的多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)àSTOP。I2C總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)序如圖1所示。

圖1 I2C總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)序

3. ZLG7290擴(kuò)展芯片

ZLG7290是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司開發(fā)的基于I2C接口的鍵盤及LED驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)8 位共陰數(shù)碼管或64 只獨(dú)立LED 和64 個(gè)按鍵。ZLG7290 提供兩種控制方式：寄存器映象控制和命令解釋控制，寄存器映象控制是指以字節(jié)操作方式直接訪問底層寄存器實(shí)現(xiàn)基本控制功能；命令解釋控制是指通過解釋命令緩沖區(qū)CmdBuf0/ CmdBuf1 中的指令間接訪問底層寄存器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展控制功能如實(shí)現(xiàn)寄存器的位操作，對(duì)顯示緩存循環(huán)移位，對(duì)操作數(shù)譯碼等。ZLG7290 的從地址（ slave address）為70H(01110000B)，內(nèi)部寄存器的地址為00～17H。ZLG7290內(nèi)部功能框圖如圖2所示，本次應(yīng)用中采取寄存器映象控制方式對(duì)LED實(shí)現(xiàn)控制。

圖2 ZLG7290內(nèi)部功能框圖

4．PIC18F458基于I2C通信的實(shí)現(xiàn)

PIC18F458是MICROCHIP公司開發(fā)的集成CAN控制器的高檔8位FLASH單片機(jī)，具有32K字節(jié)FLASH程序RAM空間，數(shù)據(jù)存貯器為1536字節(jié)RAM+256字節(jié)EEPROM，共33個(gè)I/O端口[6][7]。 PIC18F458的主同步串行端口（MSSP）模塊中提供了SPI和I2C通信功能，引腳RC4和RC3分別用作I2C模式下的數(shù)據(jù)SDA線和時(shí)鐘 SCL線；內(nèi)部有6個(gè)寄存器與I2C通信控制有關(guān)，它們分別是：MSSP控制寄存器1 (SSPCON1)、MSSP控制寄存器2 (SSPCON2)、MSSP狀態(tài)寄存器 (SSPSTAT)、串行收/發(fā)緩沖器 (SSPBUF)、MSSP移位寄存器 (SSPSR)和MSSP地址寄存器 (SSPADD)，其中，SSPCON1/SSPCON2用來設(shè)置工作方式，SSPADD用來設(shè)置器件地址（PIC18F458用作SLAVE時(shí)）或通信波特率(PIC18F458用作MASTER時(shí)),MASTER模式下，SSPADD的值應(yīng)滿足以下公式：

(Fosc/4)/FI2C=SSPADD+1

其中：

Fosc/4：PIC18F458內(nèi)部時(shí)鐘頻率，固定為晶振頻率的1/4;

FI2C：I2C通信的最高速率，單位：kbit/s,一般用100kbit/s

SSPADD值最后需圓整為大于或等于計(jì)算值的整數(shù)中的最小整數(shù)。

圖3為PIC18F458控制ZLG7290作為車身狀態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)器時(shí)硬件接線，ZLG7290的19腳和20腳用來實(shí)現(xiàn)與PIC18F458的通信控制，顯示控制在程序上的實(shí)現(xiàn)主要是通過調(diào)用函數(shù)WriteByte(SCANNUM,0x01)和 WriteByte(DPRAMi,Dig2word)來實(shí)現(xiàn)，其中，SCANNUM為掃描次數(shù)，DPRAMi(i=0~7)為8個(gè)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的段碼顯示緩沖器，如圖3所示，如果要點(diǎn)亮發(fā)光二極管D1所在列的全部8個(gè)發(fā)光二極管，則對(duì)應(yīng)的顯示 緩沖器的值應(yīng)為0XFF。

圖3 PIC18F458控制ZLG7290作為車身狀態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)器時(shí)硬件接線

利用I2C總線接口擴(kuò)展單片機(jī)的端口大大簡(jiǎn)化了嵌入式系統(tǒng)外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)工作的可靠性；同時(shí)，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)，在基于 PIC18F458的車身狀況顯示控制系統(tǒng)中取得了較好的應(yīng)用效果。按照本文介紹的方法，可以很方便地將ZLG7290或類似芯片應(yīng)用于 MICROCHIP的其它類型的MCU的應(yīng)用場(chǎng)合。