模擬I2C總線多主通信研究與軟件設(shè)計

摘要  介紹模擬I2C總線的多主節(jié)點通信原理，并提出一種新的實現(xiàn)方法。這種采用延時接收比較來實現(xiàn)仲裁的方法，可使不具有I2C接口的普通微控制器（MCU）能夠?qū)崿F(xiàn)模擬I2C總線的多主通信，同時對I2C總線的推廣起到了積極作用。

關(guān)鍵詞  模擬I2C總線  仲裁  多主通信

I2C總線(Inter IC BUS)是Philips公司推出的雙向兩線串行通信標準。由于它具有接口少、通信效率高等優(yōu)點，現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用[1～3]。它除了可以進行簡單的單主節(jié)點通信外，還可以應(yīng)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，如果兩個或者更多的主節(jié)點同時啟動數(shù)據(jù)傳輸，總線具有沖突檢測和仲裁功能，保證通信正常進行并防止數(shù)據(jù)破壞?，F(xiàn)在許多微控制器(MCU)都具有I2C總線接口，能方便地進行I2C總線設(shè)計。對于沒有I2C總線接口的MCU，可以采用兩條I／O接口線進行模擬[2，3]。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)中進行的通信，這使得模擬I2C總線的應(yīng)用具有一定的局限性。本文根據(jù)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[1～3]

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(gòu)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)?？偩€協(xié)議規(guī)定，各主節(jié)點進行通信時都要有起始、結(jié)束、發(fā)送數(shù)據(jù)和應(yīng)答信號。這些信號都是通信過程中的基本單元?？偩€傳送的每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(yīng)給一應(yīng)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(yīng)答信號、非應(yīng)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線從高變化到低；停止信號就是在SCL線為高時SDA線從低變化到高；應(yīng)答信號是在SCL為高時SDA為低；非應(yīng)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(yīng)答位和非應(yīng)答位時序圖是相同的。

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(yīng)答信號后開始傳送數(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(yīng)答信號，有則繼續(xù)發(fā)送，否則將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

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)點訪問，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)。但是如果有兩個或兩個以上的節(jié)點都向總線上發(fā)送啟動信號并開始傳送數(shù)據(jù)，這樣就形成了沖突。要解決這種沖突，就要進行仲裁的判決，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同步是由于總線具有線“與”的邏輯功能，即只要有一個節(jié)點發(fā)送低電平時，總線上就表現(xiàn)為低電平。當所有的節(jié)點都發(fā)送高電平時，總線才能表現(xiàn)為高電平。正是由于線“與”邏輯功能的原理，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”邏輯功能的原理上的。節(jié)點在發(fā)送1位數(shù)據(jù)后，比較總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的是否一致。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。SDA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進行并且數(shù)據(jù)不丟失。總線系統(tǒng)通過仲裁只允許一個主節(jié)點可以繼續(xù)占據(jù)總線[l]。

圖3是以兩個節(jié)點為例的仲裁過程。DATAl和DATA2分別是主節(jié)點向總線所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，SDA為總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號，SCL是總線上所呈現(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。這時總線上呈現(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，在總線上呈現(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)送低電平信號。根據(jù)總線的線“與”的邏輯功能，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(zhuǎn)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)沒有丟-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(zhuǎn)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)沒有丟失。

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)點訪問其他的節(jié)點，也可以作為從節(jié)點被其他節(jié)點訪問。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)在研究模擬I2C總線系統(tǒng)的難點。文獻[4] 提出在系統(tǒng)中增加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(shè)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)多主通信的方法有兩個缺點：①因為I2C最大的優(yōu)點就是接口少、效率高，這樣做不僅增加了使用資源而且減少了I2C總線的優(yōu)勢；②當主節(jié)點數(shù)比較多時，等待時間比較長，效率不高。本設(shè)計根據(jù)總線的仲裁原理，提出一種基于延時比較的仲裁方法。當主節(jié)點想要占用總線時，先檢測總線上是否空閑，如果總線是空閑的就發(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)進行比較。如果不同，說明總線上同時還存在其他節(jié)點，于是就退出；否則，一直到發(fā)送完數(shù)據(jù)。這種方法既體現(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）。這里使用的檢測方法是，持續(xù)檢測一段時間看總線上的電平是否一直為高，若是說明總線上為閑狀態(tài)，否則說明有其他的節(jié)點正在使用總線，要等一段時間再發(fā)送。當總線空閑時，發(fā)送起始信號，接著發(fā)送要訪問的從節(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)送和接收的是否一致，若是則繼續(xù)，否則跳出到從節(jié)點的接收狀態(tài)。如果沒有產(chǎn)生沖突，MCU作為主節(jié)點繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到任務(wù)結(jié)束，然后發(fā)送停止信號并返回。如果數(shù)據(jù)不一樣，MCU將跳轉(zhuǎn)到從節(jié)點狀態(tài)。由于在跳轉(zhuǎn)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)生變化，所以數(shù)據(jù)沒有丟失，作為從節(jié)點可以繼續(xù)接收總線上的數(shù)據(jù)。這樣整個通信的過程沒有中斷，數(shù)據(jù)也沒有丟失。

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，說明MCU現(xiàn)在正在工作，不能完成其他的任務(wù)。在MCU作為從節(jié)點完成接收任務(wù)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)進行比較。如果是訪問自己的就進入到下面的接收程序，否則跳出。在訪問自己的時候，還要判斷主節(jié)點是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，以便進入相應(yīng)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(yīng)答信號（ACK），有則說明數(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(yīng)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(guān)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。由于篇幅有限其他的子程序沒有列出。

圖5  從節(jié)點部分的流程

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)進行比較并做出判斷。如果數(shù)據(jù)不同，要跳出并進入從節(jié)點的狀態(tài)。由于子程序返回主程序時改變的只是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)并沒有丟失。二是作為從節(jié)點時的寫字節(jié)的子程序。由于時鐘線是由主節(jié)點的MCU控制的，所以怎樣根據(jù)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(guān)于是寫字節(jié)還是讀字節(jié)時的判斷。如果是寫字節(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)點需要做出判斷是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，并進入相應(yīng)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)實踐證明都是正確的。

主節(jié)點的寫字節(jié)子程序：

其中的NOP可根據(jù)時鐘的快慢自己加減

WRBYTE：   MOV R0，#08H

                     CLR        BUSY             ；將BUSY值清零

WLP：          RLC        A                   ；取數(shù)據(jù)位

JC                 WR1

                     SJMP      WR0              ；判斷數(shù)據(jù)位

WLP1：         DJNZ      R0，WLP

                     NOP

                     SETB      SCL

                     MOV      C，SDA         ；判斷是否與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同

                     JC          GOON

                     SETB      BUSY

                     AJMP     OUT1

GOON：        NOP

                     NOP

                     NOP

                     CLR        SCL

                     SJMP      WLP1

WR0：          CLR        SDA              ；發(fā)送0

                     NOP

                     SCL

                     NOP

                     NOP

                     NOP

                     NOP

                     NOP

                     CLR

                     SCL

                     SJMP      WLP1

從節(jié)點的字節(jié)子程序（返回為ACK）：

SWRBYTE：MOV R0，#08H

WAGAIN：    RRC       A

                     MOV      B，#37H

WWAIT1：    JB           SCL，WWAIT1     ；等待SCL為低

                     JC          WR1                     ；判斷是發(fā)送“1”還是發(fā)送“0”

                     SETB      SDA                     ；發(fā)送“1”

                     SJMP      COM

WR1：          CLR        SDA                     ；發(fā)送“0”

COM：          DJNZ      R0，WWAIT2       ；判斷是否發(fā)送完畢

WWAIT3：    JNB        SCL，WWAIT3     ；發(fā)送完畢等待應(yīng)答信號

WWAIT4：    JB           SCL，WWAIT4     ；發(fā)送完畢等待應(yīng)答信號

WWAIT5：    JNB        SCL，WWAIT5    

                     CLR        ACK

                     JB           SDA，ST0

                     SETB      ACK

ST0：            RET                                    ；返回

WWAIT2：    JNB        SCL，WWAIT2     ；等待SCL為高

                     SJMP      WAGAIN

從節(jié)點的讀字節(jié)同時判斷是否有起始信號的子程序。如果有起始信號，則轉(zhuǎn)為寫字節(jié)子程序：

SRDBYTE：MOV         R0，#08H

                     SETB      20H                      ；設(shè)置標志位判斷是讀還是寫

                     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       R0

                    MOV      C，ACC.7             ；判斷是否為超始信號

                     JNC        RWAITJ1              ；為低繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)

REWAIT：     JNB        SCL，RWAITJ1     ；開始判斷是否為起始信號

                     JB           SDA，REWAIT

                     CLR        20H                      ；是，則清標志位并返回

                     AJMP     SjRDOUT

RWAITJ1：    JB           SCL，RWAITJ1     ；等待SCL為低

RWAITJ3：    JNB        SCL，RWAITJ3     ；等待SCL為高

                     MOV      C，SDA

                     RRC       A

                     DJNZ      R0，RWAITJ2

SjRDOUT：   RET

RWAITJ2：    JB           SCL，RWAITJ2     ；等待SCL為低繼續(xù)讀數(shù)據(jù)

                     SJMP      RWAITJ3

5  總結(jié)

根據(jù)總線協(xié)議中的仲裁原理，提出的基于延時比較的模擬I2C多主通信的方法，不僅能夠體現(xiàn)了I2C總線的高效性，而且還具有良好的擴展性。它使普通不具有I2C接口的MCU可以應(yīng)用在多主通信的系統(tǒng)中，既增加了普通MCU的使用范圍，又突破了模擬I2C總線的應(yīng)用局限性，為I2C總線的推廣起到了積極的作用。