通過(guò)I2C兼容接口讀取ADC數據

本應用筆記討論了通過(guò)I2C兼容接口讀取多字節數據時(shí)需要特別注意的地方。介紹了每次讀取一個(gè)字節時(shí)容易出現的問(wèn)題，并給出了幾個(gè)具體示例。本文也描述了進(jìn)行數據傳輸的正確方法。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/150268.htm

概述

I²C兼容2線(xiàn)接口是功能強大的總線(xiàn)機制，用于連接微控制器或微處理器與低速外設，例如：集成了模/數轉換器(ADC)的外設?；谠摽偩€(xiàn)的最基本的通信方式(即，寫(xiě)入/讀取從機寄存器的一個(gè)字節)非常直觀(guān)。但是，如果因為這種方法簡(jiǎn)單而掉以輕心，則會(huì )導致嚴重的系統錯誤。

單字節通道傳送2字節數據

任何連接外設(尤其是傳感器)的數字接口，都需要確保從器件的內部寄存器正確讀取數據，尤其是在讀取寄存器的過(guò)程中數據發(fā)生變化的情況下。數據傳輸過(guò)程中，如果ADC執行轉換操作并更新寄存器的內容，數據則會(huì )發(fā)生改變。許多器件帶有內部緩存器(通常不能從外部訪(fǎng)問(wèn))，用來(lái)存放最新轉換結果。當I²C總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，更新所謂的“用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)”寄存器內容。

I²C協(xié)議每次只傳送1個(gè)字節的數據。因此，如果有效數據字長(cháng)超過(guò)8位，并且沒(méi)有合理處置傳輸操作，則會(huì )引發(fā)問(wèn)題。比如，MAX44000環(huán)境光傳感器(ALS)的數據寄存器具有多達14位的數據(另有1位作為溢出標志，表示需要增加計數/亮度設置)。

表1. MAX44000 ALS數據寄存器

REGISTER	B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0	REGISTER ADDRESS
ADC High Byte (ALS)		OFL	ALSDATA[13:8]						0x04
ADC Low Byte (ALS)	ALSDATA[7:0]								0x05

我們不能通過(guò)I²C直接讀取所有數據ALSDATA[13:0]，需要首先讀取寄存器0x04的內容，然后讀取寄存器0x05的內容，再把這些數據合并到一個(gè)至少16位的寄存器內。因此，在讀取這些數據時(shí)需要特別謹慎。通過(guò)兩次簡(jiǎn)單的單字節讀操作(利用STOP (P)條件終止)完成數據讀取，如圖1所示。


圖1. 單字節讀操作

這種方法存在致命缺陷，確切地說(shuō)，向器件發(fā)送STOP條件，返回“用戶(hù)可見(jiàn)”的寄存器內容。由此，從寄存器0x04讀取數據后，實(shí)際的14位數據可能在讀取0x05寄存器之前已經(jīng)更新。幾種情形下，這種缺陷可能導致嚴重錯誤。

例如，當MAX44000環(huán)境光傳感器處于10位、12位或14位模式時(shí)，亮度處于相對穩定狀態(tài)，假設亮度在小范圍波動(dòng)，或許亮度正在緩慢上升，或周?chē)嬖谏倭吭肼?，使?x04和0x05寄存器的14位數據計數值為255或256，考慮表2中的三種情形。

表2. 誤差圖示說(shuō)明

State of Registers During First Byte Read (Read 0x04 Only)	State of Registers During Second Byte Read (Read 0x05 Only)	Result (14 Bit)

在后兩種情形下，我們可能讀到0或511，而不是讀255或256，這是一個(gè)很?chē)乐氐腻e誤。發(fā)生這已錯誤的原因在于，第一次和第二次讀操作之間，發(fā)出STOP狀態(tài)后，寄存器0x04和0x05中的數據被更新。第一種出現問(wèn)題情形下，第一個(gè)字節可以正確讀出，但在讀第二個(gè)字節時(shí)，總數為256的數據對應的最低位為零，因而，我們從器件中得到讀數0；第二種出現問(wèn)題的情形下，數據總計數值為256，由于在STOP狀態(tài)發(fā)出后，第二個(gè)字節的數據在讀取之前減少了1，所以顯示為511，圖2給出了多次讀取數據時(shí)，這種故障的抽樣情況。


圖2. 多次采樣時(shí)，實(shí)際讀取單字節的數值

這個(gè)問(wèn)題很容易通過(guò)一次讀取2字節數據來(lái)避免，如圖3所示。具體操作是，讀取第一個(gè)數據字節后，發(fā)送REPEATED START (而不是STOP)進(jìn)行操作，操作非常簡(jiǎn)單。通過(guò)讀取2個(gè)字節，盡管在兩個(gè)器件之間發(fā)送完全相同的位數，卻可避免器件不恰當地更新I²C寄存器的內容。


圖3. 2字節讀操作示意圖

上述示例適用于MAX44000和MAX44009，進(jìn)行多次讀操作時(shí)不會(huì )自動(dòng)遞增寄存器指針。器件功能各有差異，但工作原理相同。也可以將其很容易地擴展到N字節讀取操作。應用筆記AN3588：“MAXQ2000微控制器軟件I²C驅動(dòng)”一文給出了幾個(gè)C程序示例。