如何設計基于I2C總線(xiàn)的處理器的聯(lián)網(wǎng)方案？

隨著(zhù)微控制器的價(jià)格越來(lái)越低，功能越來(lái)越強大，電氣設計人員發(fā)現在單板和多板系統中都使用多個(gè)小型控制器是一種更加經(jīng)濟高效的方法。這種輔助處理器能夠減輕主處理器在耗時(shí)任務(wù)上面的處理開(kāi)銷(xiāo)，例如掃描鍵盤(pán)、顯示控制器和電機控制。這些控制器也可以配置為各種各樣的專(zhuān)用外設。

最近，我接受了一項任務(wù)：開(kāi)發(fā)一種能夠方便地適用于多種應用的接口(軟/硬件)，且要符合嵌入式處理器中常用的行業(yè)標準。在分析了一些典型應用之后，我們列出了一些針對該硬件接口的設計需求：常用于32位和8位處理器;能夠得到常用外設器件的支持;外設接口代碼量低于0.5kB;引腳數量少;數據帶寬可達10kBps;RAM用量少;一條總線(xiàn)上支持多種外設;方便使用API;不需要外部接口驅動(dòng)硬件。

由于要求引腳數量少，所以必須采用串行接口。目前處理器中常見(jiàn)的串行接口包括SPI、I2C、USB和RS-232。通過(guò)從不同方面權衡比較這些接口，我最終選擇了I2C，因為它接口簡(jiǎn)單，靈活性好，得到了大多數低成本控制器的支持。在不需要很高傳輸速度的情況下，較少的引腳數和流量控制功能還使得I2C接口相比SPI接口具有更大的優(yōu)勢。

I2C的工作原理

I2C是一種雙線(xiàn)雙向接口，包括一個(gè)時(shí)鐘信號和一個(gè)數據信號(SCL和SDA)。在不增加任何其他信號的情況下，一條I2C總線(xiàn)就可以支持多達12個(gè)設備。I2C接口規范包括三種工作速度：100kbps、400kbps和3.4Mbps。大多數常見(jiàn)的控制器只支持100-和400kbps兩種模式。I2C總線(xiàn)支持一個(gè)主設備多個(gè)從設備，或者多個(gè)主設備的配置結構。

I2C一個(gè)非常重要的特性就是它支持流量控制。如果某個(gè)從設備無(wú)法保持連續的字節傳輸，它可以將總線(xiàn)掛起，直到能夠跟上主設備的傳輸速度。這對于包含最小規模的I2C硬件并且必須在固件上支持部分傳輸協(xié)議的從設備來(lái)說(shuō)是非常有用的。I2C總線(xiàn)規范支持7b和10b兩種尋址協(xié)議。我發(fā)現7b尋址模式在大部分應用中的效率更高。

在開(kāi)始編寫(xiě)代碼之前，我們需要很好地了解I2C總線(xiàn)的工作原理。任何情況下I2C總線(xiàn)至少要包含一個(gè)主設備，至少要掛有一個(gè)或多個(gè)從設備。主設備總是由主到從發(fā)起數據傳輸操作。無(wú)論有多少個(gè)外設掛接在總線(xiàn)上，I2C接口只有兩個(gè)信號。

兩個(gè)信號都是集電極開(kāi)路的，通過(guò)大小為2.7k左右的上拉電阻接Vcc電源。SDA信號是雙向的，可以由主設備或從設備驅動(dòng)。SCL信號是由主設備驅動(dòng)的，但是在一個(gè)數據字節的末尾從設備必須保持SCL信號為低，以延遲總線(xiàn)直到從設備開(kāi)始處理數據。主設備在數據字節的最后一位傳輸完之后釋放SCL信號，然后檢查SCL信號是否變高。如果SCL沒(méi)有變高，那么主設備認為從設備正在請求主設備延遲，直到其開(kāi)始處理數據。

當通過(guò)I2C總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)，只有當SCL為低電平時(shí)才能進(jìn)行數據變換。當SCL信號為高時(shí)，任何方向的數據都應該是穩定的.

當總線(xiàn)空閑時(shí)，主設備和從設備都不下拉SDA和SCL信號。在發(fā)起一次數據傳輸時(shí)，主設備驅動(dòng)SDA信號從高電平變成低電平，同時(shí)SCL信號為高。一般地，當SCL信號為高電平時(shí)，SDA信號的狀態(tài)保持不變，但啟動(dòng)或停止條件下除外。當SCL信號為高并且SDA信號從低變高時(shí)，是傳輸停止的情況(如圖2所示)。

I2C總線(xiàn)以8b為單位傳輸數據。每傳輸一個(gè)字節時(shí)，必須得到數據接收方的確認。所有的數據都是從MSB(最高有效位)開(kāi)始傳輸的。