單片機的I2C總線(xiàn)擴展和I2C虛擬技術(shù)
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在單片機應用系統中，要處理的數據不僅很多，而且很重要時(shí)，通常的做法是用并行口擴展單片機外部數據存儲器芯片。近年來(lái)，隨著(zhù)半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續出現了一些新的數據要求非常嚴格的芯片，比較典型的有基于I2C總線(xiàn)接口的24系列，基于SPI總線(xiàn)的25系列，以及并行總線(xiàn)接口的28系列，29系列，這些芯片的特點(diǎn)是芯片掉電后數據不會(huì )丟失，數據可以保存幾年、甚至幾十年，這些芯片采用I2C、SPI或Microwire串行總線(xiàn)協(xié)議，與單片機接口通常僅占用2～4個(gè)I/O口，可以最大限度地節省單片機的資源，并且數據可以反復擦寫(xiě)。
I2C總線(xiàn)采用二線(xiàn)傳輸，即SDA串行數據線(xiàn)和SCL串行時(shí)鐘，在總線(xiàn)上擴展的外圍器件及外圍設備接口通過(guò)總線(xiàn)尋址，圖2為I2C總線(xiàn)構成的輸入/輸出、顯示、ADC/DAC以及鍵盤(pán)、顯示電路。在SDA和SCL上掛接單片機CUP和外圍器件(如I/O、ADC、DAC、存儲器)和外設接口(如鍵盤(pán)、顯示器、打印機等)，所有掛接在I2C總線(xiàn)上的器件和接口電路都應具有I2C總線(xiàn)接口，將所有的SDA/SCL同名端相連。
I2C總線(xiàn)為同步串行數據傳輸總線(xiàn)，其總線(xiàn)傳輸速率為100 KB/s，改進(jìn)后為400 KB/s，總線(xiàn)驅動(dòng)能力為400 PF，通過(guò)驅動(dòng)擴展可達4 000 PF，在圖1中只表示I2C總線(xiàn)上外圍擴展的節點(diǎn)，其總線(xiàn)的節點(diǎn)的尋址方法為，確定總線(xiàn)上的主節點(diǎn)(主控器件)，在任何時(shí)刻總線(xiàn)上只有一個(gè)主節點(diǎn)(一個(gè)主控器件)，實(shí)現總線(xiàn)的控制操作，由主控器對總線(xiàn)上的其他節點(diǎn)尋址，分時(shí)實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸。因此總線(xiàn)上每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)固定的節點(diǎn)地址。I2C總線(xiàn)每次傳送數據，都是由主器件發(fā)送起始信號開(kāi)始，送停止信號結束，當SCL時(shí)鐘線(xiàn)為高電平時(shí)，SDA出現由高到低的下降沿，即總線(xiàn)的起始信號，相反，當SDA出現上升沿時(shí)為結束信號，在起始信號和停止信號之間是尋址信息和數據信息，圖2為I2C的操作時(shí)序。
I2C總線(xiàn)上的單片機都可作為主節點(diǎn)，其器件地址由軟件給出。存放在I2C總線(xiàn)的地址寄存器，稱(chēng)為主器件的從地址。器件地址由7位組成和一個(gè)方向位構成尋址字節SLA，尋址字節格式如下：
DA3～DA0為器件地址，由器件出廠(chǎng)時(shí)給定的固定地址編碼；A2～A0為器件在電路中接電源或地的不同，形成的地址數據；R/W——數據傳輸方向，規定總線(xiàn)上主節點(diǎn)對從節點(diǎn)的數據傳輸方向，R——接收，W——發(fā)送。表1為常用外圍器件的節點(diǎn)地址。
2 單主系統的I2C總線(xiàn)的虛擬技術(shù)
在單主系統中，I2C總線(xiàn)上只有一個(gè)單片機，由于總線(xiàn)上只有一個(gè)單片機成為主節點(diǎn)，在這種情況下，對于沒(méi)有I2C總線(xiàn)的單片機，可以用兩根I/O線(xiàn)來(lái)虛擬I2C總線(xiàn)接口，在采用虛擬串行擴展接口時(shí)，可根據系統的資源情況選用具體的I/O口線(xiàn)，可以設計出各種類(lèi)型接口的虛擬軟件包，只要安裝軟件包和定義相應的I/O端口，使用極其靈活方便，這種方式稱(chēng)為單主方式I2C總線(xiàn)虛擬(簡(jiǎn)稱(chēng)主方式)。
2.1 單主方式下的數據操作格式
2.1.1 主發(fā)送的數據操作格式
主節點(diǎn)向由尋址字節指令的外圍器件節點(diǎn)發(fā)送N個(gè)字節數據，整個(gè)數據傳送過(guò)程中數據的傳送方向不變，操作格式如下：
其中S.SLAW、data1～N、P～為主節點(diǎn)發(fā)送，從節點(diǎn)接收；A～主節點(diǎn)接收，從節點(diǎn)發(fā)送；SLAW～尋址字節(寫(xiě))；data1～dataN：寫(xiě)入從節點(diǎn)的N個(gè)數據。
(2) 主接收的數據操作格式
主節點(diǎn)要求被尋址的從節點(diǎn)(外圍器件)發(fā)送N個(gè)字節數據。數據操作格式如下：
2.1.2 主方式下的虛擬I2C總線(xiàn)軟件包
在使用虛擬I2C總線(xiàn)時(shí)，有一個(gè)通用的主方式I2C軟件包，并在此基礎上給出歸一化操作命令。即在使用I2C虛擬總線(xiàn)時(shí)，只要在程序存儲器的任一空間，裝入通用軟件包作為I2C總線(xiàn)應用程序設計的軟件支持。在應用中只須將軟件包中標記賦值即可。
這些標記符有：
VSDA～虛擬I2C總線(xiàn)數據線(xiàn)；VSCL～虛擬I2C總線(xiàn)時(shí)鐘線(xiàn)；SLA～尋址字節存放單元；SLAW～尋址字節寫(xiě)；SLAW～尋址字節讀；NUMBYT～傳送字節數據存放單元；MTD～發(fā)送數據緩沖區；MRD～接收數據緩沖區。
在程序中嵌入了通用I2C軟件包并進(jìn)行標號賦值后，歸一化的操作命令有三條：
MOV SLA，#SLAW/#SLAR；指向那個(gè)節點(diǎn)，并認定發(fā)送(SLAW)還是接收(SLAR)；MOV NUMBYT，#N；傳送幾個(gè)字節；LCALL WRNBYT/RDNBYT；調用接收或發(fā)送子程序。
以圖1為例，假定在嵌入了通用I2C軟件包的情況下，使用主方式的I2C虛擬技術(shù)，標記符的偽定義為：
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