基于I2C總線數(shù)據(jù)寫入器的設(shè)計(jì)

1  引言

 (Inter－Integrated Circuit)總線是一種用于連接微控制器及其外圍設(shè)備的總線?？偩€最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單和有效。由于接口直接在組件上，故其占用空間小，減少了電路板的空間和芯片引腳的數(shù)量，廣泛用于智能化儀表?，F(xiàn)在有的MCU已提供接口，但對(duì)于沒有直接支持總線的MCU則需要用軟件進(jìn)行模擬。本文以AT89S52單片機(jī)為核心，與PC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)具有總線的EEPROM AT24C04讀寫功能，構(gòu)成一種數(shù)據(jù)寫入器，用于儀器儀表等設(shè)備中表格、曲線和參數(shù)等的讀寫。所有程序用C語(yǔ)言完成。

2  單片機(jī)和PC兩方的通信格式

本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)通信格式如下:第一字節(jié)為發(fā)給MCU的命令，第二字節(jié)保留。后16字節(jié)是所要寫入的數(shù)據(jù)。但在開始操作時(shí)最先發(fā)送的僅為前2字節(jié)。命令有如下幾種:寫命令(CMD_WRITE)、讀命令(CMD_READ)、操作結(jié)束命令(CMD_OVER)、狀態(tài)檢查命令(CMD_CHECKOK)。

兩方的通信過程大致如下:PC發(fā)出前綴為CMD的命令，然后監(jiān)聽串口等待MCU返回的前綴為RSP的準(zhǔn)備就緒的回應(yīng)(寫入時(shí)為 RSP_WRITEREADY;讀出時(shí)為RSP_READREADY)，若超時(shí)則給出錯(cuò)誤提示;收到該回應(yīng)后進(jìn)行讀寫操作;結(jié)束時(shí)PC發(fā)出結(jié)束命令并等待 MCU的結(jié)束回應(yīng);若正確收到該回應(yīng)則提示成功，否則提示操作完成但未收到回應(yīng)。在寫操作中，每發(fā)送18字節(jié)進(jìn)行一次確認(rèn)。另外，由于讀芯片中是讀出的所有內(nèi)容，故此時(shí)PC不發(fā)結(jié)束命令而只等待結(jié)束回應(yīng)。

在執(zhí)行寫操作時(shí)，PC都以CMD_WRITE為命令發(fā)送18字節(jié)的數(shù)據(jù)并等待MCU的RSP_WRITTEN。在執(zhí)行讀操作時(shí)，PC先接受MCU發(fā)來的以     RSP_READ為回應(yīng)的18字節(jié)數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送1個(gè)字節(jié)的命令CMD_READ。

3  I2C總線時(shí)序模擬

本設(shè)計(jì)使用的EEPROM為AT24C04，它可用串行總線。由于89S52不直接支持總線，因此只能使用IO口來模擬的總線時(shí)序。89S52可以進(jìn)行位尋址，這給時(shí)序模擬帶來了方便。

(1) 通信開始信號(hào)

根據(jù)的規(guī)程，通信開始信號(hào)是當(dāng)SCL(串行時(shí)鐘信號(hào))處于高電平時(shí)在SDA(串行數(shù)據(jù)信號(hào))上給出一個(gè)下跳沿，且下跳沿后，SCL還要維持高電平4μs。此過程可用如下代碼模擬:
_SDA=1;
_SCL=1;
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
_SDA=0;  // 下跳沿
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();  // 維持SCL為高電平4us
_SCL=0;

(2) 通信停止信號(hào)

通信停止信號(hào)是當(dāng)SCL為高電平時(shí)在SDA上出現(xiàn)一個(gè)上跳沿，且SDA上跳前的低電平應(yīng)維持4us以上。此過程模擬代碼和開始信號(hào)類似，在此省略。

(3) 字節(jié)傳送完畢確認(rèn)信號(hào)

該信號(hào)是在SDA為低電平時(shí)SCL上出現(xiàn)一個(gè)正脈沖，此過程可用如下代碼模擬:
_SDA=0;
 _SCL=1;
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
_SCL=0;
_SDA=1;

(4) 非確認(rèn)信號(hào)

該信號(hào)便于控方傳送停止信號(hào)，在SDA為高電平時(shí)，SCL上出現(xiàn)一個(gè)正脈沖，除此，模擬代碼和字節(jié)傳送完畢確認(rèn)信號(hào)類似，不再贅述。

利用上述基本操作，并根據(jù)AT24C04的時(shí)序關(guān)系，可以寫出對(duì)AT24C04進(jìn)行讀寫的程序。由于AT24C04中的緩存是16字節(jié)，因此在讀寫時(shí)，均是以16字節(jié)為單位的。AT24C04總大小為512字節(jié)，其中又分了兩頁(yè)，在操作時(shí)還應(yīng)同時(shí)指定要操作的頁(yè)。

4  MCU方的通信

進(jìn)入讀、寫函數(shù)后，MCU都要回應(yīng)PC方發(fā)來的命令，以確認(rèn)準(zhǔn)備就緒，所以在讀寫程序中，并不立即對(duì)EEPROM操作。數(shù)據(jù)寫讀的流程圖如圖1和圖2所示。其中RSP_WRITEREADY為對(duì)寫入準(zhǔn)備好的回應(yīng)，RSP_READREADY為對(duì)讀出準(zhǔn)備好的回應(yīng)，RSP_READ為成功讀出一段數(shù)據(jù)的回應(yīng)，RSP_FIN為操作完成的回應(yīng)。

 
5  PC方的串行通信

PC方的串行通信使用類CSerialComm來完成。在PC上完成串行通信可用微軟的MSComm通信控件，但這樣就需要帶上封裝這個(gè)控件的庫(kù)文件，否則程序不能獨(dú)立運(yùn)行。因此本設(shè)計(jì)采用以Win32 API寫成的CSerialComm類來完成。

CSerialComm類繼承自CIoController，封裝了和串行通信相關(guān)的功能。主要成員函數(shù)功能如下:
    Open:打開指定的端口。參數(shù)指定了所要打開的端口名稱，為一個(gè)字符串。這個(gè)函數(shù)打開的串口是同步的。
    SetState:設(shè)置串口的狀態(tài)。參數(shù)是一個(gè)CSerialState類的指針。
    SetTimeout:設(shè)置操作的超時(shí)時(shí)間，超過了這個(gè)時(shí)間，讀寫操作將返回。
    CSerialComm類只提供基本的串口操作，而且不能發(fā)送窗口消息，不便于編寫Windows的基于消息的程序，因此，從CSerialComm繼承一個(gè)類CI2CWriter進(jìn)一步封裝對(duì)串口的操作，主要成員函數(shù)功能如下:
    InitPort:調(diào)用了CSerialComm的Open函數(shù)來打開一個(gè)串口，并保留擁有這類對(duì)象的窗口指針，以便發(fā)送消息。
    Notify:向窗口消息，以通知當(dāng)前的讀寫狀態(tài)。
    BeginWrite，BeginRead，BeginVerify，BeginCheckMCU:分別為開始寫、讀、校驗(yàn)和檢測(cè)MCU的狀態(tài)。它們將產(chǎn)生相應(yīng)的工作線程。
    OpenFile:這個(gè)函數(shù)用于打開要寫入到EEPROM中的文件。參數(shù)是所要寫入的文件的路徑名。由于AT24C04的容量是512字節(jié)，故該函數(shù)對(duì)文件的長(zhǎng)度作了限制。

(1) PC方的寫入線程

流程見圖3。在寫入線程被創(chuàng)建后，它將向MCU發(fā)送寫命令CMD_WRITE，然后等待MCU的回應(yīng)RSP_WRITEREADY。成功收到該回應(yīng)后，寫線程將以CMD_WRITE為命令向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送一組，寫線程都會(huì)等待MCU回應(yīng)RSP_WRITTEN，成功收到這個(gè)回應(yīng)后，寫線程繼續(xù)發(fā)送后面的數(shù)據(jù)。寫入完成時(shí)，寫線程發(fā)送寫入結(jié)束命令CMD_OVER，并等待MCU回應(yīng)RSP_FIN以確認(rèn)完成了寫操作。成功收到此回應(yīng)后，將彈出提示。

寫入線程與界面線程的通信通過向界面線程發(fā)消息來實(shí)現(xiàn)。寫入線程可發(fā)如下的消息:WM_ _WRITEOVER，WM_ _BLOCKFINISH，WM_ _COMMFAILED。
WM_ _WRITEOVER消息提示界面線程寫入已經(jīng)結(jié)束。這時(shí)界面線程啟用校驗(yàn)和讀出按鈕，禁用寫入按鈕，向消息框里加入一條寫入完成的消息。
WM_ _BLOCKFINISH提示界面線程一個(gè)數(shù)據(jù)塊 操作已經(jīng)完成，界面線程在接收到這條消息后設(shè)置進(jìn)度條，以顯示當(dāng)前的進(jìn)度。
WM_ _COMMFAILED提示界面線程通信失敗，讀出按鈕可用，寫入不可用。

(2) PC方的讀出線程

流程見圖4。在讀出線程被創(chuàng)建后，它將向MCU發(fā)送寫命令CMD_READ，然后等待MCU的回應(yīng)RSP_READREADY。成功收到回應(yīng)后，讀線程將發(fā)送CMD_READ命令到MCU，并接收MCU返回的數(shù)據(jù)。成功收到數(shù)據(jù)后，讀線程檢查第一個(gè)字節(jié)是否為RSP_READ。若是，則保存收到數(shù)據(jù)，然后再次發(fā)出CMD_READ命令。如此反復(fù)，直到512字節(jié)(32個(gè)塊)全部完成。

讀出線程與界面線程的通信也是通過向界面線程發(fā)消息來實(shí)現(xiàn)的。讀出線程可發(fā)如下的消息:WM__REA DOVER，WM_I2C_BLOCKFINISH，WM_ _COMMFAILED。其中后兩個(gè)消息的意義和寫線程所發(fā)的消息意義一樣，所做的工作也是一樣的。WM_ _READOVER提示界面線程讀出已經(jīng)完成，界面線程收到這條消息后，將在讀出開始時(shí)被禁用的讀出按鈕設(shè)為可用，清除進(jìn)度條并在消息框里加入一條讀出完成的消息。

6  結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了從PC向總線的EEPROM寫入數(shù)據(jù)的基本方法，它既可以經(jīng)擴(kuò)充后自成一個(gè)系統(tǒng)，比如文本閱讀器，也可以作為模塊用在其他系統(tǒng)中。對(duì)于總線時(shí)序的模擬代碼則可以當(dāng)成通用程序使用。

參考文獻(xiàn)
[1] 李群芳. 單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)(第2版). 北京:電子工業(yè)出版社,2005
[2] Jim Beveridge. Multithreading Applications  in  Win32 Pearson Education