嵌入式控制系統中I2C串行EEPROM器件應用

I2C串行EEPROM存儲器因具有外形體積小、接口緊湊簡(jiǎn)單、占用引腳資源少、數據保存可靠、可在線(xiàn)改寫(xiě)、功耗低和價(jià)格低廉等顯著(zhù)特點(diǎn)，被廣泛應用于嵌入式控制系統中，用于存放配置參數、調整和運行數據等信息。但由于其為同步串行傳輸，通訊協(xié)議非常簡(jiǎn)單，沒(méi)有提供更為復雜的糾錯和檢測機制，在實(shí)踐中經(jīng)常因使用不當造成數據丟失、數據無(wú)故改寫(xiě)等問(wèn)題。對于存儲數據要求非常高的系統， 例如計量產(chǎn)品、無(wú)人值守系統等，如果存儲數據發(fā)生意外錯誤，造成的損失是致命的，因此在設計使用I2C串行EEPROM存儲器時(shí)，更多地需要硬件和軟件相互接合，采取一些相關(guān)的處理措施，使得產(chǎn)品能夠在各種惡劣的使用環(huán)境中可靠、正確地運行。

1 硬件處理措施

硬件處理過(guò)程中，應重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）電源是一個(gè)控制系統可靠運行的基石，很多產(chǎn)品與外界的有線(xiàn)連接就是電源連接。因此，在產(chǎn)品設計時(shí)應對電源電路進(jìn)行有效濾波處理，并且應該通過(guò)EMC的試驗檢測來(lái)降低電源紋波噪聲，抑制高頻震蕩和高壓脈沖的侵入，減少由于噪聲過(guò)大而引起的I2C串行EEPROM器件讀寫(xiě)失誤。這一點(diǎn)尤為重要，因為實(shí)踐中很多系統的數據不知何故而發(fā)生了錯誤，可能的一個(gè)重要原因就是電源的抗干擾能力有限，從而導致I2C總線(xiàn)干擾。

（2）由于特殊原因，盡管對電源已經(jīng)進(jìn)行了有效處理，仍無(wú)法避免電磁的干擾，在使用I2C串行EEPROM時(shí)，在I2C規范限制條件下，可以采取減小上拉電阻和使用I2C總線(xiàn)驅動(dòng)器提高輸出驅動(dòng)能力等措施來(lái)有效降低電磁干擾對讀寫(xiě)的影響。

（3）I2C串行EEPROM 一般具有欠壓復位電路，如果微處理器欠壓復位的門(mén)限電壓高于I2C串行EEPROM，那么，由于電磁干擾造成的電壓波動(dòng)使得微處理器可能會(huì )在總線(xiàn)通信過(guò)程中率先復位，而I2C串行EEPROM保持其當前狀態(tài)，導致總線(xiàn)出現“掛死”現象，使得數據傳輸不同步而出現數據錯誤。因此，應盡量采用帶有掉電檢測功能的微處理器，設置微處理器掉電復位門(mén)檻電壓低于I2C串行EEPROM 的欠壓復位門(mén)檻，使得微處理器與I2C串行EEPROM同步復位[1]。

（4）為防止總線(xiàn)意外“掛死”，如果設計允許，最好能控制I2C器件的電源或選擇帶有復位引腳的器件。

（5）對于具有寫(xiě)保護功能的I2C串行EEPROM，可充分利用寫(xiě)保護引腳來(lái)提供硬件寫(xiě)保護功能，將寫(xiě)保護引腳連接到微處理器的I/O口線(xiàn)上，控制器件在平時(shí)處于寫(xiě)保護狀態(tài)；需要寫(xiě)入時(shí)，將寫(xiě)保護引腳變?yōu)檫壿?ldquo;0”。注意，寫(xiě)保護引腳不能懸空，否則器件將無(wú)法正常工作。

2 軟件處理措施

在保證硬件電路設計可靠的同時(shí)，提高軟件的抗干擾能力同樣重要。在對I2C串行EEPROM進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，要從兩個(gè)方面進(jìn)行可靠性的設計，首先要保證I2C總線(xiàn)通訊的完整和有效性，其次就是保證I2C串行EEPROM讀寫(xiě)數據的正確性。

2.1 保證 I2C總線(xiàn)通訊的完整和有效性措施

2.1.1 總線(xiàn)復位

前面講到在I2C總線(xiàn)通訊過(guò)程中，由于電磁干擾等因素可能導致總線(xiàn)“掛死”或通訊失效，所以在啟動(dòng)通訊前，應先對I2C串行EEPROM器件進(jìn)行復位操作，以保證I2C總線(xiàn)處于暢通狀態(tài)。對于具有復位引腳的器件，提供復位信號重新復位；而對于無(wú)復位引腳的器件，若電路設計中能控制其電源，則給器件上電復位；若無(wú)法控制器件電源，則啟動(dòng)“恢復序列”復位?；謴托蛄胁僮髁鞒虨椋?br /> （1）在SCL線(xiàn)發(fā)送9個(gè)時(shí)鐘脈沖；
（2）由Master保持SDA線(xiàn)為高，直到Slave-Transmitter模式釋放SDA執行ACK操作；
（3）在A(yíng)CK操作時(shí)，保持SDA線(xiàn)為高；
（4）在Master-Receiver和Slave-Transmitter模式都結束后，Master發(fā)送一個(gè)Stop命令完成初始化總線(xiàn)[1]。

恢復序列如圖1所示。

2.1.2 通訊流程

對于具有硬件I2C協(xié)議的微處理器，都有一個(gè)總線(xiàn)狀態(tài)寄存器，每一個(gè)狀態(tài)都有一個(gè)唯一的狀態(tài)碼與之對應，指示總線(xiàn)接口的當前狀態(tài)，并且提供下一步的典型操作?？梢猿浞掷眠@些狀態(tài)碼來(lái)判斷總線(xiàn)通訊是否正常，若不正常應執行總線(xiàn)復位。若微處理器沒(méi)有I2C協(xié)議接口，而是采用模擬方式對I2C串行EEPROM操作，那么每步操作后應檢測接收到的ACK信號，若信號為邏輯“1”，應執行總線(xiàn)復位。

2.2 保證I2C串行EEPROM讀寫(xiě)數據的正確性措施

I2C總線(xiàn)協(xié)議比較簡(jiǎn)單，本身對數據沒(méi)有容錯機制，所以，在保證總線(xiàn)通訊完整和有效的前提下，應對讀寫(xiě)數據的正確性采取相應的處理機制。

2.2.1 數據分區存放

重要數據和參數應分區存放，根據I2C串行存儲容量和存放的數據量分為3個(gè)區域或更多的奇數個(gè)區域，多個(gè)區域數據同步刷新，這樣就大大降低了由于強干擾造成的數據無(wú)法應用的情況。數據存放格式如圖2所示。

其中校驗碼可根據系統的運算速度，選擇單字節或16 bit CRC碼。

2.2.2 數據寫(xiě)入

數據寫(xiě)入采取口令校對機制，寫(xiě)入數據前生成寫(xiě)入口令，在寫(xiě)入子程序入口處檢驗口令的正確性，如果口令正確，則啟動(dòng)寫(xiě)入程序，操作完畢后使口令作廢；若口令錯誤，則轉到錯誤處理程序或放棄本次寫(xiě)操作[2]。這樣將杜絕由于程序跑飛等原因造成的數據錯誤改寫(xiě)。

在調用數據寫(xiě)入程序前，根據數據校驗規則生成所寫(xiě)入數據的校驗碼，連同校驗碼一同寫(xiě)入存儲區域，并且同步刷新所有區域。其校驗碼是讀取數據時(shí)檢驗數據正確與否的評判依據。數據寫(xiě)入流程如圖3所示。

2.2.3 數據讀取

讀取數據時(shí)，依次從各存放區域連同數據的校驗碼同時(shí)讀出，根據同樣的數據校驗規則產(chǎn)生新的校驗碼，通過(guò)該校驗碼與讀出的校驗碼比對，判斷讀出數據的正確性[3]。評判原則為：若有一個(gè)存放區域的數據是正確的，則結束讀操作；若所有區域數據都不正確，則轉到錯誤處理程序或放棄本次操作。數據讀取流程如圖4所示。

2.2.4 錯誤處理

(1)寫(xiě)入錯誤。由于程序跑飛等原因造成非法數據進(jìn)入寫(xiě)入子程序入口，若看門(mén)狗未起作用，程序應強制轉到復位入口開(kāi)始執行，并記錄該事件，以備查詢(xún)。

(2)讀出錯誤。若所有區域數據為錯誤數據，條件允許的情況下，應發(fā)出告警提示，以避免造成更多的系統傷害；其他情況下應根據數據的構成結構，判斷與正確結構相近的數據為有效數據，或者將上一次的正確數據作為有效數據，并刷新每個(gè)存放區域數據，記錄該事件，以備查詢(xún)。

本文結合實(shí)際應用，找出了嵌入式控制系統中使用I2C串行EEPROM存儲器可能存在的問(wèn)題及其產(chǎn)生的原因，并介紹了相應的處理和保護措施。通過(guò)在產(chǎn)品實(shí)踐中的應用，收到了很好的效果，極大地提高了系統的可靠性。這些技術(shù)實(shí)用、可靠，在對I2C串行EEPROM存儲器進(jìn)行應用設計時(shí)可以借鑒。

參考文獻
[1] Microchip Technology Inc.I2C串行EEPROM系列數據手冊[S].2008：1-21.
[2] 李維平，張濤，丁振君.延長(cháng)EEPROM使用壽命的方法[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2005（6）：76-78.
[3] 何立民.I2C總線(xiàn)應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995：50-80.

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