模擬I2C總線多主通信研究與軟件設計

1、模擬i2c總線多主通信研究與軟件設計本文介紹模擬i2c的多主節(jié)點通信原理，并提出一種新的實現(xiàn)辦法。這種采納延時接收比較來實現(xiàn)仲裁的辦法，可使不具有i2c接口的一般微控制器（）能夠實現(xiàn)模擬i2c總線的多主通信，同時對i2c總線的推廣起到了樂觀作用。i2c總線（inter ic bus）是philips公司推出的雙向兩線串行通信標準。因為它具有接口少、通信效率高等優(yōu)點，現(xiàn)已得到廣泛的應用。它除了可以舉行容易的單主節(jié)點通信外，還可以應用在多主節(jié)點的通信系統(tǒng)中。在多主節(jié)點通信系統(tǒng)中，假如兩個或者更多的主節(jié)點同時啟動數(shù)據(jù)傳輸，總線具有矛盾檢測和仲裁功能，保證通信正常舉行并防止數(shù)據(jù)破壞。現(xiàn)在許多微控制器（

2、mcu）都具有i2c總線接口，能便利地舉行i2c總線設計。對于沒有i2c總線接口的mcu，可以采納兩條i/o接口線舉行模擬。目前，一些介紹模擬i2c的資料主要講的是在單主節(jié)點系統(tǒng)中舉行的通信，這使得模擬i2c總線的應用具有一定的局限性。本文按照總線仲裁的思想，提出一種多主節(jié)點通信的思想及實現(xiàn)流程。1 i2c總線系統(tǒng)簡介i2c總線系統(tǒng)是由scl（串行時鐘）和sda（串行數(shù)據(jù)）兩根總線構成的。該總線有嚴格的時序要求，總線工作時，由串行時鐘線scl傳送時鐘脈沖，由串行數(shù)據(jù)線sda傳送數(shù)據(jù)。總線協(xié)議規(guī)定，各主節(jié)點舉行通信時都要有起始、結束、發(fā)送數(shù)據(jù)和應答信號。這些信號都是通信過程中的基本單元?？偩€傳送

3、的每1幀數(shù)據(jù)均是1個字節(jié)，每當發(fā)送完1個字節(jié)后，接收節(jié)點就相應給一應答信號。協(xié)議規(guī)定，在啟動總線后的第1個字節(jié)的高7位是對從節(jié)點的尋址地址，第8位為方向位（“0”表示主節(jié)點對從節(jié)點的寫操作；“1”表示主節(jié)點對從節(jié)點的讀操作），其余的字節(jié)為操作數(shù)據(jù)。圖1列出i2c總線上幾個基本信號的時序。圖1中包括起始信號、停止信號、應答信號、非應答信號以及傳輸數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”的時序。起始信號就是在scl線為高時sda線從高變幻到低；停止信號就是在scl線為高時sda線從低變幻到高；應答信號是在scl為高時sda為低；非應答信號相反，是在scl為高時sda為高。傳輸數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”與發(fā)送應答位和非應

4、答位時序圖是相同的。圖1 i2c總線上基本信號的時序圖2表示了一個完整的數(shù)據(jù)傳送過程。在i2c總線發(fā)送起始信號后，發(fā)送從機的7位尋址地址和1位表示這次操作性質(zhì)的讀寫位，在有應答信號后開頭傳送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送停止信號。數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位的。發(fā)送節(jié)點每發(fā)送1個字節(jié)就要檢測sda線上有沒有收到應答信號，有則繼續(xù)發(fā)送，否則將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。圖2 一次完整的數(shù)據(jù)傳送過程2 i2c總線的仲裁在多主的通信系統(tǒng)中?？偩€上有多個節(jié)點，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節(jié)點被別的節(jié)點拜訪，同時它們都可以作為主節(jié)點向其他的節(jié)點發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。但是假如有兩個或兩個以上的節(jié)點都向總線上發(fā)送啟動信號并開頭傳送數(shù)據(jù)，這

5、樣就形成了矛盾。要解決這種矛盾，就要舉行仲裁的判決，這就是i2c總線上的仲裁。i2c總線上的仲裁分兩部分：scl線的同步和sda線的仲裁。scl同步是因為總線具有線“與”的規(guī)律功能，即只要有一個節(jié)點發(fā)送低電平常，總線上就表現(xiàn)為低電平。當全部的節(jié)點都發(fā)送高電平常，總線才干表現(xiàn)為高電平。正是因為線“與”規(guī)律功能的原理，當多個節(jié)點同時發(fā)送時鐘信號時，在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時鐘信號。這就是scl的同步原理。sda線的仲裁也是建立在總線具有線“與”規(guī)律功能的原理上的。節(jié)點在發(fā)送1位數(shù)據(jù)后，比較總線上所展現(xiàn)的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的是否全都。是，繼續(xù)發(fā)送；否則，退出競爭。圖3中給出了兩個節(jié)點在總線上的仲裁過程。s

6、da線的仲裁可以保證i2c總線系統(tǒng)在多個主節(jié)點同時企圖控制總線時通信正常舉行并且數(shù)據(jù)不走失?？偩€系統(tǒng)通過仲裁只允許一個主節(jié)點可以繼續(xù)占領總線。圖3是以兩個節(jié)點為例的仲裁過程。data1和data2分離是主節(jié)點向總線所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，sda為總線上所展現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號，scl是總線上所展現(xiàn)的時鐘信號。當主節(jié)點1、2同時發(fā)送起始信號時，兩個主節(jié)點都發(fā)送了高電平信號。這時總線上展現(xiàn)的信號為高電平，兩個主節(jié)點都檢測到總線上的信號與自己發(fā)送的信號相同，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。第2個時鐘周期，2個主節(jié)點都發(fā)送低電平信號，在總線上展現(xiàn)的信號為低電平，仍繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在第3個時鐘周期，主節(jié)點1發(fā)送高電平信號，而主節(jié)點2發(fā)送

7、低電平信號。按照總線的線“與”的規(guī)律功能，總線上的信號為低電平，這時主節(jié)點1檢測到總線上的數(shù)據(jù)和自己所發(fā)送的數(shù)據(jù)不一樣，就斷開數(shù)據(jù)的輸出級，轉為從機接收狀態(tài)。這樣主節(jié)點2就贏得了總線，而且數(shù)據(jù)沒有走失，即總線的數(shù)據(jù)與主節(jié)點2所發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣，而主節(jié)點1在轉為從節(jié)點后繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，同樣也沒有丟掉sda線上的數(shù)據(jù)。因此在仲裁過程中數(shù)據(jù)沒有走失。圖3 兩個主節(jié)點的仲裁過程3 多主通信的原理及其實現(xiàn)流程多主通信就是在總線上有多個節(jié)點。這些節(jié)點既可以作為主節(jié)點拜訪其他的節(jié)點，也可以作為從節(jié)點被其他節(jié)點拜訪。當有多個節(jié)點同時企圖占用總線時，就需要總線的仲裁。對于模擬i2c總線系統(tǒng)，怎樣實現(xiàn)總線的仲裁是現(xiàn)在

8、討論模擬i2c總線系統(tǒng)的難點。文獻4提出在系統(tǒng)中增強1根busy線，在占用總線之前先檢測busy線，看總線是否被占用。若總線空閑，則設置busy線并向總線上傳送數(shù)據(jù)；否則，接收數(shù)據(jù)，直到總線空閑時才占有總線。這種實現(xiàn)多主通信的辦法有兩個缺點： 由于i2c最大的優(yōu)點就是接口少、效率高，這樣做不僅增強了用法資源而且削減了i2c總線的優(yōu)勢； 當主節(jié)點數(shù)比較多時，等待時光比較長，效率不高。本設計按照總線的仲裁原理，提出一種基于延時比較的仲裁辦法。當主節(jié)點想要占用總線時，先檢測總線上是否空閑，假如總線是空閑的就發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，將總線上的數(shù)據(jù)接收并與發(fā)送的數(shù)據(jù)舉行比較。假如不同，解釋總線上同時

9、還存在其他節(jié)點，于是就退出；否則，向來到發(fā)送完數(shù)據(jù)。這種辦法既體現(xiàn)了i2c總線的高效性，同時還具有良好的擴展性。圖4 多主通信流程圖4給出了基于延時比較的多主通信流程，其中mcu作為從節(jié)點部分的流程在圖5中給出。在節(jié)點發(fā)送起始信號之前先要檢測一下總線上是否為空閑狀態(tài)（busy是否為0）。這里用法的檢測辦法是，持續(xù)檢測一段時光看總線上的電平是否向來為高，若是解釋總線上為閑狀態(tài)，否則解釋有其他的節(jié)點正在用法總線，要等一段時光再發(fā)送。當總線空閑時，發(fā)送起始信號，接著發(fā)送要拜訪的從節(jié)點的地址字節(jié)。每發(fā)送1位數(shù)據(jù)就接收比較1次，看發(fā)送和接收的是否全都，若是則繼續(xù)，否則跳出到從節(jié)點的接收狀態(tài)。假如沒有產(chǎn)生

10、矛盾，mcu作為主節(jié)點繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到任務結束，然后發(fā)送停止信號并返回。假如數(shù)據(jù)不一樣，mcu將跳轉到從節(jié)點狀態(tài)。因為在跳轉到從節(jié)點接收狀態(tài)的過程中累加器（acc）和工作寄存器（ri）的數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變幻，所以數(shù)據(jù)沒有走失，作為從節(jié)點可以繼續(xù)接收總線上的數(shù)據(jù)。這樣囫圇通信的過程沒有中斷，數(shù)據(jù)也沒有走失。圖5 從節(jié)點部分的流程圖5給出了從節(jié)點的流程。進入從節(jié)點時，要將busy置為高，解釋mcu現(xiàn)在正在工作，不能完成其他的任務。在mcu作為從節(jié)點完成接收任務后，要將busy置為低。mcu在接收到尋址字節(jié)后與自己的地址字節(jié)舉行比較。假如是拜訪自己的就進入到下面的接收程序，否則跳出。在拜訪自己的時候，

11、還要推斷主節(jié)點是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，以便進入相應的程序。在寫字節(jié)的子程序中，從節(jié)點每發(fā)送1個字節(jié)的數(shù)據(jù)后都要察看是否有應答信號（ack），有則解釋數(shù)據(jù)接收到了；否則要跳出等待，重新發(fā)送。在讀字節(jié)的子程序中，每接收1個字節(jié)的數(shù)據(jù)就要發(fā)送1個應答信號（ack），以示接收正常，否則主節(jié)點將停止繼續(xù)發(fā)送。在現(xiàn)有的資料中，關于從節(jié)點的原理和源代碼比較少，這里給出作為從節(jié)點時寫字節(jié)子程序的源代碼。因為篇幅有限其他的子程序沒有列出。4 部分源代碼本節(jié)是在mcu多主通信中的部分源代碼。多主通信的實現(xiàn)中有幾個難點和重點。一是在作為主節(jié)點時的寫字節(jié)子程序，里面要包括發(fā)送的每位數(shù)據(jù)和總線的數(shù)據(jù)舉行比較并做出推斷。假

12、如數(shù)據(jù)不同，要跳出并進入從節(jié)點的狀態(tài)。因為子程序返回主程序時轉變的只是pc的值而累加器（acc）和工作寄存器（ri）里面的值是不變的，因此mcu進入從機狀態(tài)后繼續(xù)接收總線剩下的數(shù)據(jù)，這樣總線的數(shù)據(jù)并沒有走失。二是作為從節(jié)點時的寫字節(jié)的子程序。因為時鐘線是由主節(jié)點的mcu控制的，所以怎樣按照scl線來讀取sda線的數(shù)據(jù)是其中的一個難點。三是在具有子地址的從節(jié)點關于是寫字節(jié)還是讀字節(jié)時的推斷。假如是寫字節(jié)時主節(jié)點會給出新的起始信號，并再次發(fā)送從節(jié)點的地址數(shù)據(jù)。這時從節(jié)點需要做出推斷是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，并進入相應的子程序。這里給出以上三個重點和難點的子程序的源代碼，以供讀者參考。這些源代碼經(jīng)實踐證

13、實都是正確的。主節(jié)點的寫字節(jié)子程序：;其中的nop可按照時鐘的快慢自己加減wrbyte:mov r0,08hclr busy;將busy值清零wlp: rlc a;取數(shù)據(jù)位jc wr1sjmp wr0;推斷數(shù)據(jù)位wlp1: djnz r0,wlpnopout1: retwr1: setb sda;發(fā)送1nopsetb sclmovc,sda;推斷是否與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同jc goonsetb busyajmp out1goon: nopnopnopclr sclsjmp wlp1wr0: clr sda;發(fā)送0nopsclnopnopnopnopnopclrsclsjmp wlp1從節(jié)點的寫字節(jié)子

14、程序(返回為ack)：swrbyte:mov r0,08hwagain: rrc amov b,37hwwait1: jb scl,wwait1;等待scl為低jc wr1;推斷是發(fā)送“1”還是發(fā)送“0”setb sda;發(fā)送“1”ajmp comwr1:clr sda;發(fā)送“0”comjnz r0,wwait2;推斷是否發(fā)送完畢wwait3: jnb scl,wwait3;發(fā)送完畢等待應答信號wwait4: jb scl,wwait4wwait5: jnb scl,wwait5clr ackjb sda,st0setb ackst0:ret;返回wwait2: jnb scl,wwait2;

15、等待scl為高sjmp wagain從節(jié)點的讀字節(jié)同時推斷是否有起始信號的子程序。假如有起始信號，則轉為寫字節(jié)子程序：srdbyte:mov r0,08hsetb 20h;設置標記位推斷是讀還是寫setb sda;釋放總線rwaitj: jnb scl,rwaitj;等待scl為高mov c,sda;從總線上讀取數(shù)據(jù)rrc a;存入累計器dec r0mov c,acc.7;推斷是否為起始信號jnc rwaitj1;為低繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)rewait: jnb scl,rwaitj1;開頭推斷是否為起始信號jb sda,rewaitclr 20h;是，則清標記位并返回ajmp sjrdoutrwaitj1:jb scl,rwaitj1;等待scl為低rwaitj3:jnb scl,rwaitj3;等待scl為高mov c,sd