MSP430與I2C總線接口技術(shù)的研究

      引言

       MSP430單片機(jī)自從2000年問(wèn)世以來(lái)，就以其功能完善、超低功耗、開發(fā)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)得到了許多設(shè)計(jì)人員的青睞。MSP430與傳統(tǒng)的51單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的區(qū)別。其中之一就是：在MSP430的外圍接口電路中，沒(méi)有提供像51那樣控制外設(shè)讀、寫、地址鎖存信號(hào)的硬件電路。與這種接口電路相適應(yīng)，MSP430更傾向使用I2C總線以及ISP等基于串行接口的外圍器件。另一方面，隨著I2C技術(shù)的發(fā)展和成熟，其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速傳輸、器件豐富等特點(diǎn)使該類器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此研究新型單片機(jī)MSP430與I2C總線接口技術(shù)有著重要的意義。本文針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究，分析研究了MSP430與I2C總線接口的原理和方法，提出了高效的接口方法，介紹了優(yōu)化的程序。

       1 MSP430單片機(jī)I/O端口控制特點(diǎn)

       與8031單片機(jī)相比，MSP430的I/O端口的功能要強(qiáng)大的多，其控制的方法也更為復(fù)雜。MSP430的I/O端口可以實(shí)現(xiàn)雙向的輸入、輸出；完成一些特殊功能如：驅(qū)動(dòng)LCD、A/D轉(zhuǎn)換、捕獲比較等；實(shí)現(xiàn)I/O各種中斷。MSP430采用了傳統(tǒng)的8位端口方式保證其兼容性，即每個(gè)I/O端口控制8個(gè)I/O引腳。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O端口每一個(gè)引腳的復(fù)雜控制，MSP430中的每個(gè)I/O口都對(duì)應(yīng)一組8位的控制寄存器(如圖1)。寄存器中的每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)該引腳的獨(dú)立控制。寄存器的功能和數(shù)目是由該I/O口所能完成的功能以及類型確定的。[2]

       圖1為MSP430的一個(gè)I/O端口的控制結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)于最基本的只能完成輸入、輸出功能的I/O端口其控制寄存器只有3個(gè)。其中，輸入寄存器保存輸入狀態(tài)；輸出寄存器保存輸出的狀態(tài)，方向寄存器控制對(duì)應(yīng)引腳的輸入、輸出狀態(tài)。本文中用來(lái)實(shí)現(xiàn)I2C總線接口的P6.6、P6.7都屬于這類的端口。此外，有些I/O端口不但可以用作基本的輸入輸出，而且可以用作其他用途，比如可以作為L(zhǎng)CD的驅(qū)動(dòng)控制引腳。這類端口的控制功能寄存器實(shí)現(xiàn)引腳功能狀態(tài)的切換。再者，有一類端口不但可以完成上述兩種端口的功能，而且可以實(shí)現(xiàn)中斷功能。該類端口擁有圖1中所有的寄存器，中斷觸發(fā)的方式以及中斷的屏蔽性都可以通過(guò)相應(yīng)的寄存器控制。本文中使用的P2.0就屬于該類端口，利用它來(lái)接收LM92發(fā)出的中斷。

       通過(guò)上述的控制結(jié)構(gòu)，MSP430的I/O端口可以實(shí)現(xiàn)很豐富的功能。不僅如此，其中一些I/O口還可以與MSP430中的特殊模塊相結(jié)合完成更為復(fù)雜的工作。如與捕獲比較模塊相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)串行通信，與A/D模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換等。此外，MSP430 I/O端口的電器特性也十分突出，幾乎所有的I/O口都有20mA的驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于一般的LED、蜂鳴器可以直接驅(qū)動(dòng)無(wú)需輔助電路。許多端口內(nèi)部都集成了上拉電阻，可以方便與外圍器件的接口。

       2 MSP430與I2C總線器件接口

       通過(guò)上述的介紹了解了MSP430中I/O口的一些控制特點(diǎn)。以下介紹如何利用這些特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)I2C總線的接口。如圖2所示，使用41系列單片機(jī)的P6.6產(chǎn)生I2C總線的時(shí)序同步信號(hào)；使用P6.7完成I2C總線的串行數(shù)據(jù)輸入輸出；利用P2.0接收LM92產(chǎn)生的中斷信號(hào)?；贗2C總線規(guī)范，通過(guò)對(duì)LM92的A0、A1和AT240的A0、A1、A2設(shè)定不同的器件地址，兩個(gè)器件可以共用SCL、SDA。

       2.1 I/O端口引腳控制

       與8031不同，MSP430沒(méi)有位空間，也沒(méi)有專門執(zhí)行位操作的控制電路。那么對(duì)于一個(gè)指定的I/O端它是如何進(jìn)行控制的呢？MSP430中有關(guān)位操作的指令都是通過(guò)邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。[3]例如：

       BISB #01000010B,P1OUT ; 將P1.6和P1.1置位XORB #01000010B,P1OUT ; 邏輯或運(yùn)算

       該例中的置位指令BISB是用原操作數(shù)（01000010）與目的操作數(shù)(P1OUT)做邏輯或運(yùn)算得到的。因此該命令與第二行的指令是等效的。雖然，這樣的控制方法比起8031略顯復(fù)雜，但它的控制能力有所增強(qiáng)。從例子中不難看出，這種方式可以同時(shí)控制多個(gè)端口位。

       2.2 簡(jiǎn)化I2C接口的方法

       眾所周知，實(shí)現(xiàn)I2C總線協(xié)議主要是控制SDA、SCL使其產(chǎn)生協(xié)議所規(guī)定的各種時(shí)序。要控制P6.7、P6.6產(chǎn)生I2C總線要求的各種時(shí)序，就要頻繁使用到輸入、輸出以及方向寄存器。而要減少代碼的量，簡(jiǎn)化接口控制，最直接的方法就是減少有關(guān)寄存器操作次數(shù)。要實(shí)現(xiàn)這一想法需要軟硬件結(jié)合，充分利用I/O口的特點(diǎn)以及I2C總線協(xié)議的特點(diǎn)。

       仔細(xì)觀察圖3的基本數(shù)據(jù)操作時(shí)序[1]可以發(fā)現(xiàn)：第一，I2C總線在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)均處于高電平狀態(tài)；第二，SDA引腳是數(shù)據(jù)的輸入輸出端，它的狀態(tài)變化最為復(fù)雜，控制它需要頻繁的使用P6IN、P6OUT、P6DIR三個(gè)寄存器。

       圖2中的R1、R2是上拉電阻，其阻值由選用的I2C總線器件的電器特性確定。在本文中這兩個(gè)電阻不但起上拉的作用，還有助于解決第一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)P6.6、P6.7處于接收狀態(tài)時(shí)，上拉電阻可以將該點(diǎn)的電平拉升為VCC，從而確?？偩€空閑時(shí)有穩(wěn)定的高電平。

       延續(xù)以上的思路可以發(fā)現(xiàn)，方向寄存器相應(yīng)位為輸入時(shí)，就等于給I2C從器件發(fā)送了邏輯'1'。那么如何發(fā)送邏輯'0'呢？將對(duì)應(yīng)的方向控制位設(shè)為輸出，然后輸出寄存器相應(yīng)位置為'0'就可以實(shí)現(xiàn)。再進(jìn)一步，如果將輸出寄存器對(duì)應(yīng)為設(shè)為'0'，只控制方向寄存器的變化就可以發(fā)送兩種邏輯電平。這樣，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)只需要控制方向寄存器。對(duì)于SDA需要頻繁切換輸入輸出狀態(tài)的特點(diǎn)，本方法可以減少15％左右的代碼量，并使程序更清晰。這樣就為第二個(gè)問(wèn)題找到了很好的解決方法。 

       3 I2C總線控制時(shí)序的實(shí)現(xiàn)

       以上講述了I2C總線最基本的操作時(shí)序。I2C總線中的各種操作都是由這些基本操作組合完成的。由于I2C總線器件的類型、功能、結(jié)構(gòu)不盡相同，因此每一種器件具體控制時(shí)序有所區(qū)別。圖4是AT2402讀取指定字節(jié)數(shù)據(jù)控制時(shí)序。從圖中可以看出一個(gè)讀取操作中要使用到起始、發(fā)送字節(jié)、處理回應(yīng)、接收字節(jié)、停止這些基本操作。附錄中的代碼就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)時(shí)序。對(duì)于AT2402還有其他控制的時(shí)序，如字節(jié)寫時(shí)序、數(shù)據(jù)頁(yè)讀時(shí)序、地址讀取時(shí)序等等[1]。附錄中代碼對(duì)基本操作分別編寫為子程序。對(duì)于不同的功能時(shí)序，可以通過(guò)子程序的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

       LM92是一種高精度的溫度傳感器，它也采用I2C總線方式控制。圖5是該器件讀取溫度數(shù)據(jù)的時(shí)序。因?yàn)樗墓δ芎徒Y(jié)構(gòu)與AT2402有很大的區(qū)別，所以二者控制時(shí)序不盡相同。如圖4和圖5，雖然都是實(shí)現(xiàn)讀取操作，但是二者時(shí)序差別很大，LM92的控制時(shí)序明顯要復(fù)雜的多。不過(guò)仔細(xì)分析可以看出這些時(shí)序也都是由一些基本操作組合實(shí)現(xiàn)的。這樣就可以在上述方法的基礎(chǔ)上完善LM92所需要的基本操作子程序，進(jìn)而根據(jù)時(shí)序需要安排子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)LM92的各種控制。

       綜上所述，要實(shí)現(xiàn)I2C總線的控制時(shí)序，需要仔細(xì)分析各種器件的時(shí)序要求及特點(diǎn)，構(gòu)建所有的基本操作，并按時(shí)序要求合理安排基本操作。

       4結(jié)束語(yǔ)

       應(yīng)用上述的設(shè)計(jì)方法和電路，實(shí)現(xiàn)了MSP430與I2C總線器件的接口，很好的控制AT2402和LM92，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。實(shí)踐證明該方法對(duì)實(shí)現(xiàn)I2C總線器件控制非常有效，而且使用該方法編制的程序代碼量小，執(zhí)行效率高。該方法為MSP430與I2C總線接口提供了一種可行的方案。