I2C總線(xiàn)在多機通信中的應用

摘要：介紹了I2C總線(xiàn)的結構、工作原理、數據傳輸方式，討論了基于I2C總線(xiàn)的多機通信軟硬件設計，實(shí)現了程控交換多機通信調度指揮系統。 關(guān)鍵詞：I2C總線(xiàn) 多機通信 軟硬件設計 I2C（Inter Integrated Circuit）總線(xiàn)是Philips公司開(kāi)發(fā)的一種雙向兩線(xiàn)主機總線(xiàn)，它能方便地實(shí)現芯片間的數據傳輸與控制。通過(guò)兩線(xiàn)緩沖接口和內部控制與狀態(tài)寄存器，可方便地完成多機間的非主從通信或主從通信?；贗2C總線(xiàn)的多機通信電路結構簡(jiǎn)單、程序編寫(xiě)方便，易于實(shí)現系統軟硬件的模塊化和標準化。 本文給出了基于I2C總線(xiàn)的多機通信調度指揮系統方案，討論了系統的軟硬件設計。 1 系統硬件設計 本調度指揮系統由主機和調度操作臺兩部分組成，工作原理如圖1所示，兩者間通過(guò)RS422總線(xiàn)實(shí)現較長(cháng)距離的數據傳送。主機和操行臺內部均采用分散多處理器控制，處理器間采用I2C總線(xiàn)進(jìn)行數據通信。主機內部采用分散控制方式，整個(gè)交換系統被分割成多個(gè)用戶(hù)子系統及1個(gè)通信子系統，每個(gè)子系統由一個(gè)CPU處理單元負責128個(gè)用戶(hù)的呼叫控制和管理，多個(gè)子系統之間通信I2C組成一個(gè)無(wú)主通信總線(xiàn)進(jìn)行信息交互（如呼叫處理信息、維護信息等），構成一個(gè)完整的交換系統。 調度操作臺由操作臺控制CPU、顯示屏及多個(gè)用戶(hù)鍵板構成，支持128～1024個(gè)操作按鍵和256～2048個(gè)LED指示燈，每個(gè)操作按鍵可縮位一組電話(huà)號碼對應主機內的一個(gè)電話(huà)用戶(hù)，雙燈組合指示該電話(huà)用戶(hù)狀態(tài)，并支持LCD中文顯示。操作臺內部主控CPU與用戶(hù)鍵板控制CPU之間通過(guò)I2CU叫線(xiàn)組成主從通信總線(xiàn)進(jìn)行信息交互（按鍵信息、LED顯示信息）。 1．1 主機I2C總線(xiàn)構成 子系統的CPU處理單元由Philips-80C652單片機配合外圍電路（如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和I/O驅動(dòng)等）構成，80C652具有一個(gè)支持雙向數據傳送的I2C總線(xiàn)串行接口，I2C總線(xiàn)邏輯根據路徑自動(dòng)地進(jìn)行數據傳送。CPU對I2CU總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)以下四個(gè)特殊功能寄存器完成： S1CON（D8H） SIO1控制寄存器 S1STA（D9H） SIO1狀態(tài)寄存器 S1DAT（DAH） SIS1數據寄存器 S1ADR（DBH） SIO1從地址寄存器 SIO1邏輯通過(guò)P1.6/SCL和P1.7/SDA兩個(gè)引腳連接到外部I2C總線(xiàn)，可工作于以下四種模式：主發(fā)送模式、主接收模式、從接收模式、從發(fā)送模式。各子系統間的I2C接口復接即構成了主機I2C通信總線(xiàn)，通票用無(wú)主通信方式，每個(gè)CPU既可以響應通用地址的廣播呼叫，也可以進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信，完全滿(mǎn)足程控交換的信息傳送要求且結構簡(jiǎn)單。連接示意圖如圖2所示。1．2 調度臺I2C總線(xiàn)構成 操作臺控制CPU板由Philips-80C652單片機配合外圍電路（如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和顯示驅動(dòng)電路等）構成，其P1.6-SCL、P1.7-SDA為I2C總線(xiàn)接口SIO1。單片機的SIO1通過(guò)MC3486/3487與主機通過(guò)RS422接口通信，SIO1與用戶(hù)鍵板的P87LPC764通信，最多可支持63塊用戶(hù)鍵板的通信連接。 每個(gè)用戶(hù)鍵板均采用Philips-P87LPC764單片機控制，每塊鏈板提供64個(gè)用戶(hù)按鍵及128個(gè)用戶(hù)鍵燈。P87LPC764是51LPC系列OTP單片機，其最大特點(diǎn)是改進(jìn)型80C51系列，增加了WDT看門(mén)狗、I2C總線(xiàn)、三個(gè)模擬量比較器、上電復位檢測，保證I/O口驅動(dòng)電流達到20mA，運行速度為標準80C51的2倍，而且溫度范圍達到了工業(yè)級標準（-40℃～+85℃）。該芯片的I2C總線(xiàn)系統包括一個(gè)可簡(jiǎn)化軟件驅動(dòng)的I2C總線(xiàn)硬件。除了必要總線(xiàn)仲裁、錯誤檢測、時(shí)鐘擴展和總線(xiàn)超時(shí)定時(shí)器外，包括一個(gè)一位接口，這個(gè)接口通過(guò)循環(huán)查詢(xún)或中斷同步軟件。 采用該設計的優(yōu)點(diǎn)在于系統擴充性強，軟件功能分擔：由P87LPC764進(jìn)行按鍵掃描和LED顯示處理，大大減輕了主CPU-80C652的負擔；由于P87LPC764性?xún)r(jià)比優(yōu)越，比專(zhuān)用鍵盤(pán)電路更便宜，功能上也可靈活改變；鍵板可按需配置，只需簡(jiǎn)單的4線(xiàn)連接（SDA、SCL、+5V、GND）。調度臺I2C總線(xiàn)連接示意圖如圖3所示。2 I2C總線(xiàn)的數據傳送方式 I2C總線(xiàn)器件之間通信串行數據線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL傳送數據，交換信息。每個(gè)器件（微控制器、LCD驅動(dòng)器、存儲器或鍵盤(pán)接口）都要設置一個(gè)獨特的地址碼以示驅別。根據通訊要求，器件可以工作于發(fā)送或接收方式，并允許有多個(gè)設備作為主站控制總線(xiàn)?？偩€(xiàn)上主和從、發(fā)送和接收的關(guān)系僅取決于每次數據傳送的方向。 2．1 I2C總線(xiàn)傳輸數據格式 I2C總線(xiàn)的數據傳送格式如圖4所示。 S:start信號； SLA：從機地址，也可以是通用地址； R/W：讀寫(xiě)控制位； A：ACK響應； DATA0～DATA7：每組傳送8個(gè)數據字節； S/P：下一個(gè)start或stop信號。首先發(fā)送開(kāi)始（start）信號，然后傳送第一個(gè)字節：高7位是從機地址，低位表示讀/寫(xiě)（R/W）狀態(tài)，“0”表示寫(xiě)操作，“1”表示讀操作。由于CPU之間采用無(wú)主通信或主從通信，一般只采用主發(fā)送和從接收模式，因此該位均值0表示數據發(fā)送；總線(xiàn)上的每個(gè)物理器件判斷接收的地址與本機地址是否一致，地址一致，返回ACK，進(jìn)行正常的數據傳送。每個(gè)地址或數據后必須跟應答信號，當一個(gè)正常的應答信號有效時(shí)，SCL時(shí)鐘為高電平，接收模塊數據線(xiàn)SDA置低，同時(shí)按字節傳送數據，傳送結束由發(fā)送端發(fā)送stop信號或下一個(gè)start信號。 從機地址由各CPU按統一原則進(jìn)行分析，主機各子系統可按各自的系統號從01H開(kāi)始編排，00H作為通用呼叫地址；調度臺80C652地址取01H，P87LPC764地址范圍為40H～7FH，其它地址待擴充。 處理器之間采用固定8字節數據通信：DATA0、DATA1、DATA2、DATA3、DATA4、DATA5、DATA6、DATA7。 DATA0：目的地址，發(fā)送時(shí)可根據該地址確定從機地址； DATA1：源地址； DATA2：消息編碼，可按需分配； DATA3～DATA7：該消息應攜帶的其它必要信息。 以調度臺為例，80C652向P86LPC764發(fā)送LED燈顯示數據：目址、源址、55H（消息編碼），鍵地址、左燈狀態(tài)、右燈狀態(tài)、#0EEH、#0EEH。 目址：即P87LPC764地址、40H～7FH； 源址：即80C652地址，01H； 鍵地址：每片P86LPC764所處理的按鍵地址，00H～3FH（64鍵）； 燈狀態(tài)：即讓對應燈處于滅、常亮、閃爍等狀態(tài)值。圖53 通信軟件設計 主機和調度臺80C652單片機上電時(shí)首先裝載本機從地址和通用地址，設置I2C總線(xiàn)為高中斷。由中斷處理程序自動(dòng)接收數據存入數據緩沖區并查詢(xún)是否有數據發(fā)送，若有，進(jìn)行相應發(fā)送信息，按要求進(jìn)行相關(guān)處理，并查詢(xún)是否有數據需發(fā)送，若有填入發(fā)送緩沖區，設置待發(fā)送S1CON標志，由中斷處理程序發(fā)送。流程如圖5所示。 鍵板I2C總線(xiàn)軟件處理過(guò)程為：鍵板P87LPC764初始化，裝載本機從地址，設置定時(shí)器I為高中斷，PIC總線(xiàn)普通中斷。主程序中進(jìn)行I2CU總線(xiàn)數據發(fā)送檢查，進(jìn)行重發(fā)處理；接收數據處理；待發(fā)送數據處理及設置主站待發(fā)。定時(shí)器I負責監視I2C總線(xiàn)，計時(shí)溢出復位I2C接口硬件。I2C中斷處理程序完成數據的接收和發(fā)送工作。流程如圖6所示。圖6本設計采用I2C總線(xiàn)實(shí)現調度指揮系統中多模塊間的雙向通信，電路設計簡(jiǎn)單，易于模塊化及擴展。