一種I2C設備控制方法的設計和實(shí)現

1 引 言

I2C(Inter-Integrated Circuit)總線(xiàn)是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線(xiàn)標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線(xiàn)少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。AT91SAM7X256是Atmel公司于2005年推出的基于A(yíng)RM7的工業(yè)級芯片，他以體積小、功耗低、連接方式廣泛、處理資源豐富、控制靈活等特點(diǎn)受到嵌入式領(lǐng)域開(kāi)發(fā)人員的重視。本文介紹AT91SAM7X256的I2C控制器TWI接口(two-wired interface)的使用方法，并以I2C設備E2PROM和日歷時(shí)鐘芯片為例，實(shí)現AT91SAM7X256對時(shí)間數據的讀取與存儲。同時(shí)，為了驗證時(shí)間數據的讀取與存儲是否正確，使用AT91SAM7X256的在線(xiàn)仿真器J-LINK將E2PROM中的數據讀至內存進(jìn)行檢查。

ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應用等。ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應用等。

2 硬件設計

2.1 硬件模塊結構

電路的硬件模塊結構如圖1所示。

AT91SAM7X256的TWI接口由一根時(shí)鐘線(xiàn)TWCK和一根數據線(xiàn)TWD組成，產(chǎn)生的信號時(shí)序符合I2C總線(xiàn)規范;PCF8563是Philips公司推出的一款內含I2C總線(xiàn)接口功能的工業(yè)級時(shí)鐘芯片;AT24C08是Atmel公司推出的符合I2C規約的兩線(xiàn)串口E2PROM.AT91SAM7X256的TWCK和TWD分別與芯片PCF8563和AT24C08的SCL與SDA相連，CPU通過(guò)TWI接口將時(shí)間數據讀出并存儲。為了保證CPU不沖突的訪(fǎng)問(wèn)PCF8563和AT24C08,本文將AT24C08的A2管腳接高電平。由于I2C總線(xiàn)空閑時(shí)為高電平，所以為實(shí)現線(xiàn)與功能，總線(xiàn)上連接的設備均是集電極開(kāi)路的，因此總線(xiàn)需外接上拉電阻R.AT91SAM7X256的TWI有主從2種工作模式，本文中AT91SAM7X256作為控制方，應工作于主模式。

2.2 AT91SAM7X256的TWI接口

AT91SAM7X256的TWD和TWCK管腳與設備的I/O管腳復用，同時(shí)AT91SAM7X256采用單獨控制功能單元的省電方案，電源管理單元PMC控制各功能單元的時(shí)鐘是否工作，所以要使用TWI接口，需要首先配置TWD和TWCK為外設連線(xiàn)和開(kāi)路狀態(tài)，其次配置PMC使TWI時(shí)鐘處于工作狀態(tài)。

TWI接口可提供高達400 kb/s的傳輸速率，為使得數據的傳輸速率面向不同應用，可以通過(guò)配置時(shí)鐘脈沖發(fā)生器的控制寄存器TWI_CWEG調整TWCK的信號頻率。

TWI接口產(chǎn)生的信號時(shí)序符合I2C總線(xiàn)規范，當讀/寫(xiě)1個(gè)字節數據時(shí)，主設備需提供從設備的設備地址、內部地址、讀寫(xiě)控制以及起始標志和停止標志。在數據的收發(fā)過(guò)程中，主要使用控制寄存器TWI_CR、主模式寄存器TWI_MMR、內部地址寄存器TWI_IADR、狀態(tài)寄存器TWI_SR、傳輸保持寄存器TWI_THR和接收保持寄存器TWI_RHR.從設備地址在TWI_MMR中設置，從設備的內部地址在TWI_IADR中設置;在TWI_CR中設置是否發(fā)送起始信號和停止信號;NAK(無(wú)應答)、OVER(運行錯誤)、TXRDY(發(fā)送準備好)、RXRDY(接收準備好)、TX-COMP(傳輸完成)等狀態(tài)位通過(guò)查詢(xún)WI_SR得到。

寫(xiě)數據的過(guò)程包括：當TWI_THR寫(xiě)入數據后，CPU產(chǎn)生起始信號啟動(dòng)傳輸，TWI_THR中的數據經(jīng)過(guò)并串轉換后由TWD傳輸出去，當CPU收到從設備的應答信號后，TWI_SR的TXRDY將自動(dòng)置1,說(shuō)明數據已寫(xiě)入從設備。讀數據的過(guò)程包括：CPU發(fā)出起始信號后，若TWI_SR的RXRDY位為1,則說(shuō)明TWI_RHR中有數據等待接收，當TWI_RHR中的數據被讀出后，則RXRDY自動(dòng)置為0.當讀/寫(xiě)數據完畢后，CPU將產(chǎn)生一個(gè)停止信號結束傳輸，TWI_SR的TXCOMP將自動(dòng)置1.

2.3 PCF8563日歷時(shí)鐘芯片的使用方法

按I2C協(xié)議規約，PCF8563具有惟一的設備地址0A2H.本文重點(diǎn)研究PCF8563時(shí)、分、秒數據的讀取方法，在此用到的內部寄存器包括控制/狀態(tài)寄存器1(地址為00H)、秒寄存器(地址為02H)、分寄存器(地址為03H)、小時(shí)寄存器(地址為04H)。由于寄存器中以BCD格式存儲時(shí)、分、秒數據，所以各時(shí)間時(shí)間寄存器的高位無(wú)效。

為使PCF8563工作于普通模式，需要將控制/狀態(tài)寄存器1置為00H,同時(shí)為了存儲正確的時(shí)間數據，需要將讀到的數據中無(wú)效的高位進(jìn)行屏蔽。若需要校對時(shí)間，只需對時(shí)、分、秒寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作即可。

2.4 AT24C08的使用方法

AT24C08是容量為8192 b(1024 B)的E2PROM.AT24C08內部分為4頁(yè)，每一頁(yè)有256字節單元，所以若要訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)單元則需要10位進(jìn)行尋址，其中最高兩位是頁(yè)地址，低8位是頁(yè)內地址。設備地址的定義如圖2所示，其中P1P0對應頁(yè)地址，管腳A2可為AT24C08設定兩組設備地址。當A2為低電平時(shí)，4頁(yè)的設備地址分別為0A0H,0A2H,0A4H,0A6H;當A2為高電平時(shí);反之為0A8H,0AAH,0ACH,0AEH.因此，為了避免AT24C08與PCF8563的設備地址沖突，需將A2連接高電平。

AT24C08的寫(xiě)操作支持字節寫(xiě)和頁(yè)面寫(xiě)兩種方式。字節寫(xiě)方式中每寫(xiě)一個(gè)字節均需主設備提供起始信號、設備地址、內部地址以及停止信號;頁(yè)面寫(xiě)方式即連續寫(xiě)數據，需主設備提供起始標志、設備地址以及內部地址，數據全部寫(xiě)完后再發(fā)送停止標志。

AT24C08的讀操作支持當前地址讀、隨機讀和順序讀3種方式。當前地址讀表示從當前內部地址單元讀出1個(gè)字節，所以主設備僅需提供起始信號、設備地址和停止信號;隨機讀表示從任意內部地址單元讀出1個(gè)字節，所以主設備需要先提供1次起始信號、設備地址、寫(xiě)操作、設備內部地址和停止信號，設定設備的內部地址，之后再按當前地址讀方式讀數據即可;順序讀表示從當前地址開(kāi)始連續讀多個(gè)字節，所以主設備需提供起始信號、設備地址、讀操作，數據全部讀完后再發(fā)送停止信號。