I2C總線在多機(jī)通信中的應(yīng)用

摘要：介紹了I2C總線的結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)據(jù)傳輸方式，討論了基于I2C總線的多機(jī)通信軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了程控交換多機(jī)通信調(diào)度指揮系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：I2C總線 多機(jī)通信 軟硬件設(shè)計(jì) I2C(Inter Integrated Circuit)總線是Philips公司開(kāi)發(fā)的一種雙向兩線主機(jī)總線，它能方便地實(shí)現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。通過(guò)兩線緩沖接口和內(nèi)部控制與狀態(tài)寄存器，可方便地完成多機(jī)間的非主從通信或主從通信?；贗2C總線的多機(jī)通信電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、程序編寫(xiě)方便，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。 本文給出了基于I2C總線的多機(jī)通信調(diào)度指揮系統(tǒng)方案，討論了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本調(diào)度指揮系統(tǒng)由主機(jī)和調(diào)度操作臺(tái)兩部分組成，工作原理如圖1所示，兩者間通過(guò)RS422總線實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳送。主機(jī)和操行臺(tái)內(nèi)部均采用分散多處理器控制，處理器間采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

主機(jī)內(nèi)部采用分散控制方式，整個(gè)交換系統(tǒng)被分割成多個(gè)用戶子系統(tǒng)及1個(gè)通信子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)CPU處理單元負(fù)責(zé)128個(gè)用戶的呼叫控制和管理，多個(gè)子系統(tǒng)之間通信I2C組成一個(gè)無(wú)主通信總線進(jìn)行信息交互(如呼叫處理信息、維護(hù)信息等)，構(gòu)成一個(gè)完整的交換系統(tǒng)。 調(diào)度操作臺(tái)由操作臺(tái)控制CPU、顯示屏及多個(gè)用戶鍵板構(gòu)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號(hào)碼對(duì)應(yīng)主機(jī)內(nèi)的一個(gè)電話用戶，雙燈組合指示該電話用戶狀態(tài)，并支持LCD中文顯示。操作臺(tái)內(nèi)部主控CPU與用戶鍵板控制CPU之間通過(guò)I2CU叫線組成主從通信總線進(jìn)行信息交互(按鍵信息、LED顯示信息)。 1.1 主機(jī)I2C總線構(gòu)成 子系統(tǒng)的CPU處理單元由Philips-80C652單片機(jī)配合外圍電路(如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和I/O驅(qū)動(dòng)等)構(gòu)成，80C652具有一個(gè)支持雙向數(shù)據(jù)傳送的I2C總線串行接口，I2C總線邏輯根據(jù)路徑自動(dòng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。CPU對(duì)I2CU總線的訪問(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(shù)據(jù)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，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(tǒng)間的I2C接口復(fù)接即構(gòu)成了主機(jī)I2C通信總線，通票用無(wú)主通信方式，每個(gè)CPU既可以響應(yīng)通用地址的廣播呼叫，也可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，完全滿足程控交換的信息傳送要求且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。連接示意圖如圖2所示。

1.2 調(diào)度臺(tái)I2C總線構(gòu)成 操作臺(tái)控制CPU板由Philips-80C652單片機(jī)配合外圍電路(如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和顯示驅(qū)動(dòng)電路等)構(gòu)成，其P1.6- SCL、P1.7-SDA為I2C總線接口SIO1。單片機(jī)的SIO1通過(guò)MC3486/3487與主機(jī)通過(guò)RS422接口通信，SIO1與用戶鍵板的 P87LPC764通信，最多可支持63塊用戶鍵板的通信連接。 每個(gè)用戶鍵板均采用Philips-P87LPC764單片機(jī)控制，每塊鏈板提供64個(gè)用戶按鍵及128個(gè)用戶鍵燈。P87LPC764是51LPC系列 OTP單片機(jī)，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、三個(gè)模擬量比較器、上電復(fù)位檢測(cè)，保證I/O口驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到 20mA，運(yùn)行速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51的2倍，而且溫度范圍達(dá)到了工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(-40℃～+85℃)。該芯片的I2C總線系統(tǒng)包括一個(gè)可簡(jiǎn)化軟件驅(qū)動(dòng)的 I2C總線硬件。除了必要總線仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、時(shí)鐘擴(kuò)展和總線超時(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)查詢或中斷同步軟件。 采用該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)擴(kuò)充性強(qiáng)，軟件功能分擔(dān)：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(fù)擔(dān);由于 P87LPC764性價(jià)比優(yōu)越，比專用鍵盤(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線連接(SDA、SCL、+5V、GND)。調(diào)度臺(tái)I2C總線連接示意圖如圖3所示。

2 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送方式 I2C總線器件之間通信串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL傳送數(shù)據(jù)，交換信息。每個(gè)器件(微控制器、LCD驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器或鍵盤(pán)接口)都要設(shè)置一個(gè)獨(dú)特的地址碼以示驅(qū)別。根據(jù)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(shè)備作為主站控制總線?？偩€上主和從、發(fā)送和接收的關(guān)系僅取決于每次數(shù)據(jù)傳送的方向。 2.1 I2C總線傳輸數(shù)據(jù)格式 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式如圖4所示。 S:start信號(hào); SLA：從機(jī)地址，也可以是通用地址; R/W：讀寫(xiě)控制位; A：ACK響應(yīng); DATA0～DATA7：每組傳送8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié); S/P：下一個(gè)start或stop信號(hào)。

首先發(fā)送開(kāi)始(start)信號(hào)，然后傳送第一個(gè)字節(jié)：高7位是從機(jī)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(shù)據(jù)發(fā)送;總線上的每個(gè)物理器件判斷接收的地址與本機(jī)地址是否一致，地址一致，返回ACK，進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳送。每個(gè)地址或數(shù)據(jù)后必須跟應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)一個(gè)正常的應(yīng)答信號(hào)有效時(shí)，SCL時(shí)鐘為高電平，接收模塊數(shù)據(jù)線 SDA置低，同時(shí)按字節(jié)傳送數(shù)據(jù)，傳送結(jié)束由發(fā)送端發(fā)送stop信號(hào)或下一個(gè)start信號(hào)。 從機(jī)地址由各CPU按統(tǒng)一原則進(jìn)行分析，主機(jī)各子系統(tǒng)可按各自的系統(tǒng)號(hào)從01H開(kāi)始編排，00H作為通用呼叫地址;調(diào)度臺(tái)80C652地址取 01H，P87LPC764地址范圍為40H～7FH，其它地址待擴(kuò)充。 處理器之間采用固定8字節(jié)數(shù)據(jù)通信：DATA0、DATA1、DATA2、DATA3、DATA4、DATA5、DATA6、DATA7。 DATA0：目的地址，發(fā)送時(shí)可根據(jù)該地址確定從機(jī)地址; DATA1：源地址; DATA2：消息編碼，可按需分配; DATA3～DATA7：該消息應(yīng)攜帶的其它必要信息。 以調(diào)度臺(tái)為例，80C652向P86LPC764發(fā)送LED燈顯示數(shù)據(jù)：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(duì)應(yīng)燈處于滅、常亮、閃爍等狀態(tài)值。 圖5 3 通信軟件設(shè)計(jì) 主機(jī)和調(diào)度臺(tái)80C652單片機(jī)上電時(shí)首先裝載本機(jī)從地址和通用地址，設(shè)置I2C總線為高中斷。由中斷處理程序自動(dòng)接收數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并查詢是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，若有，進(jìn)行相應(yīng)發(fā)送信息，按要求進(jìn)行相關(guān)處理，并查詢是否有數(shù)據(jù)需發(fā)送，若有填入發(fā)送緩沖區(qū)，設(shè)置待發(fā)送S1CON標(biāo)志，由中斷處理程序發(fā)送。流程如圖5所示。 鍵板I2C總線軟件處理過(guò)程為：鍵板P87LPC764初始化，裝載本機(jī)從地址，設(shè)置定時(shí)器I為高中斷，PIC總線普通中斷。主程序中進(jìn)行I2CU總線數(shù)據(jù)發(fā)送檢查，進(jìn)行重發(fā)處理;接收數(shù)據(jù)處理;待發(fā)送數(shù)據(jù)處理及設(shè)置主站待發(fā)。定時(shí)器I負(fù)責(zé)監(jiān)視I2C總線，計(jì)時(shí)溢出復(fù)位I2C接口硬件。I2C中斷處理程序完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送工作。流程如圖6所示。 圖6 本設(shè)計(jì)采用I2C總線實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮系統(tǒng)中多模塊間的雙向通信，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于模塊化及擴(kuò)展。