MSP430與I2C總線接口技術(shù)

引言
MSP430單片機與傳統(tǒng)的51單片機在結(jié)構(gòu)上有很大的區(qū)別。其中之一就是在MSP430的外圍接口電路中，沒有提供像51那樣控制外設(shè)讀、寫、地址鎖存信號的硬件電路。與這種接口電路相適應(yīng)，MSP430更傾向使用I2C總線以及ISP等基于串行接口的外圍器件。另一方面，隨著I2C技術(shù)的發(fā)展和成熟，其硬件結(jié)構(gòu)簡單、高速傳輸、器件豐富等特點使該類器件的應(yīng)用越來越廣泛。因此研究新型單片機MSP430與I2C總線接口技術(shù)有著重要的意義。本文針對這一問題進行研究，分析研究了MSP430與I2C總線接口方法，提出了高效的接口方案。

MSP430單片機I/O端口控制特點
與8031單片機相比，MSP430的I/O端口的功能要強大的多，其控制的方法也更為復(fù)雜。MSP430的I/O端口可以實現(xiàn)雙向的輸入、輸出；完成一些特殊功能：驅(qū)動LCD、A/D轉(zhuǎn)換、捕獲比較等；實現(xiàn)I/O各種中斷。MSP430采用了傳統(tǒng)的8位端口方式保證其兼容性，即每個I/O端口控制8個I/O引腳。為了實現(xiàn)對I/O端口每一個引腳的復(fù)雜控制，MSP430中的每個I/O口都對應(yīng)一組8位的控制寄存器(如圖1)。寄存器中的每一位對應(yīng)一個I/O引腳，實現(xiàn)對該引腳的獨立控制。寄存器的功能和數(shù)目是由該I/O口所能完成的功能以及類型確定的。
圖1為MSP430的一個I/O端口的控制結(jié)構(gòu)示意圖。對于最基本的只能完成輸入、輸出功能的I/O端口其控制寄存器只有3個。其中，輸入寄存器保存輸入狀態(tài)；輸出寄存器保存輸出的狀態(tài)；方向寄存器控制對應(yīng)引腳的輸入、輸出狀態(tài)。本文中用來實現(xiàn)I2C總線接口的P6.6、P6.7都屬于這類的端口。此外，有些I/O端口不但可以用作基本的輸入輸出，而且可以用作其他用途，比如可以作為LCD的驅(qū)動控制引腳。這類端口的控制功能寄存器實現(xiàn)引腳功能狀態(tài)的切換。再者，有一類端口不但可以完成上述兩種端口的功能，而且可以實現(xiàn)中斷功能。該類端口擁有圖1中所有的寄存器，中斷觸發(fā)的方式以及中斷的屏蔽性都可以通過相應(yīng)的寄存器控制。本文中使用的P2.0就屬于該類端口，利用它來接收LM92發(fā)出的中斷。
通過上述的控制結(jié)構(gòu)，MSP430的I/O端口可以實現(xiàn)很豐富的功能。不僅如此，其中一些I/O口還可以與MSP430中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。如與捕獲比較模塊相結(jié)合可以實現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。此外，MSP430 I/O端口的電器特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有20mA的驅(qū)動能力，對于一般的LED、蜂鳴器可以直接驅(qū)動無需輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便與外圍器件的接口。

圖1 MSP430的I/O端口控制結(jié)構(gòu)示意圖


圖2 MSP430x41x與I2C總線器件LM92、AT2402接口電路原理圖


圖3 I2C總線基本數(shù)據(jù)操作的時序


圖4 AT2402讀取指定字節(jié)數(shù)據(jù)的I2C總線時序圖


圖5 LM92讀取溫度數(shù)據(jù)的I2C總線時序圖


MSP430與I2C總線器件接口
MSP430與I2C總線器件接口電路示于圖2，使用41系列單片機的P6.6產(chǎn)生I2C總線的時序同步信號；使用P6.7完成I2C總線的串行數(shù)據(jù)輸入輸出；利用P2.0接收LM92產(chǎn)生的中斷信號。基于I2C總線規(guī)范，通過對LM92的A0、A1和AT240的A0、A1、A2設(shè)定不同的器件地址，兩個器件可以共用SCL、SDA。
與8031不同，MSP430沒有位空間，也沒有專門執(zhí)行位操作的控制電路。MSP430中有關(guān)位操作的指令都是通過邏輯運算實現(xiàn)的。例如：
BISB #01000010B,P1OUT ; 將P1.6和P1.1置位
XORB #01000010B,P1OUT ; 邏輯或運算
該例中的置位指令BISB是用原操作數(shù)(01000010)與目的操作數(shù)(P1OUT)做邏輯或運算得到的。因此該命令與第二行的指令是等效的。雖然，這樣的控制方法比起8031略顯復(fù)雜，但它的控制能力有所增強。這種方式可以同時控制多個端口位。
眾所周知，實現(xiàn)I2C總線協(xié)議主要是控制SDA、SCL使其產(chǎn)生協(xié)議所規(guī)定的各種時序。要控制P6.7、P6.6產(chǎn)生I2C總線要求的各種時序，就要頻繁使用到輸入、輸出以及方向寄存器。而要減少代碼的量，簡化接口控制，最直接的方法就是減少有關(guān)寄存器操作次數(shù)。要實現(xiàn)這一想法需要軟硬件結(jié)合，充分利用I/O口的特點以及I2C總線協(xié)議的特點。
從圖3的基本數(shù)據(jù)操作時序可以發(fā)現(xiàn)：I2C總線在無數(shù)據(jù)傳輸時均處于高電平狀態(tài)；SDA引腳是數(shù)據(jù)的輸入輸出端，它的狀態(tài)變化最為復(fù)雜，控制它需要頻繁的使用P6IN、P6OUT、P6DIR三個寄存器。
圖2中的R1、R2是上拉電阻，其阻值由選用的I2C總線器件的電器特性確定。在本文中這兩個電阻不但起上拉的作用，還有助于解決第一個問題。當(dāng)P6.6、P6.7處于接收狀態(tài)時，上拉電阻可以將該點的電平拉升為VCC，從而確保總線空閑時有穩(wěn)定的高電平。
方向寄存器相應(yīng)位為輸入時，就等于給I2C從器件發(fā)送了邏輯‘1’。將對應(yīng)的方向控制位設(shè)為輸出，然后輸出寄存器相應(yīng)位置為‘0’就可以實現(xiàn)發(fā)送邏輯‘0’。再進一步，如果將輸出寄存器對應(yīng)位設(shè)為‘0’，只控制方向寄存器的變化就可以發(fā)送兩種邏輯電平。這樣，在發(fā)送數(shù)據(jù)時只需要控制方向寄存器。對于SDA需要頻繁切換輸入輸出狀態(tài)的特點，本方法可以減少15％左右的代碼量，并使程序更清晰。這樣就為第二個問題找到了很好的解決方法。

I2C總線控制時序的實現(xiàn)
I2C總線中的各種操作都是由這些基本操作組合完成的。由于I2C總線器件的類型、功能、結(jié)構(gòu)不盡相同，因此每一種器件具體控制時序有所區(qū)別。圖4是AT2402讀取指定字節(jié)數(shù)據(jù)控制時序。從圖中可以看出一個讀取操作中要使用到起始、發(fā)送字節(jié)、處理回應(yīng)、接收字節(jié)、停止這些基本操作。對于AT2402還有其他控制的時序，如字節(jié)寫時序、數(shù)據(jù)頁讀時序、地址讀取時序等等。對于不同的功能時序，可以通過子程序的調(diào)用來實現(xiàn)。
LM92是一種高精度的溫度傳感器，它也采用I2C總線方式控制。圖5是該器件讀取溫度數(shù)據(jù)的時序。因為它的功能和結(jié)構(gòu)與AT2402有很大的區(qū)別，所以二者控制時序不盡相同。如圖4和圖5，雖然都是實現(xiàn)讀取操作，但是二者時序差別很大，LM92的控制時序明顯要復(fù)雜的多。不過仔細(xì)分析可以看出這些時序也都是由一些基本操作組合實現(xiàn)的。這樣就可以在上述方法的基礎(chǔ)上完善LM92所需要的基本操作子程序，進而根據(jù)時序需要安排子程序?qū)崿F(xiàn)對LM92的各種控制。
綜上所述，要實現(xiàn)I2C總線的控制時序，需要仔細(xì)分析各種器件的時序要求及特點，構(gòu)建所有的基本操作，并按時序要求合理安排基本操作。

結(jié)語
應(yīng)用上述的設(shè)計方法和電路，實現(xiàn)了MSP430與I2C總線器件的接口，很好的控制AT2402和LM92，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。實踐證明該方法對實現(xiàn)I2C總線器件控制非常有效，而且使用該方法編制的程序代碼量小，執(zhí)行效率高。該方法為MSP430與I2C總線接口提供了一種可行的方案。■

參考文獻(xiàn)：
1. Brian Merritt. I_C Interfacing of the MSP430 to a 24xx Series EEPROM([R]). Texas, U.S.A. : Texas Instruments Incorporated, 2000.12.5-7.