通過(guò)I2C兼容接口讀取ADC數(shù)據(jù)

本應(yīng)用筆記討論了通過(guò)I2C兼容接口讀取多字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)需要特別注意的地方。介紹了每次讀取一個(gè)字節(jié)時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并給出了幾個(gè)具體示例。本文也描述了進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_方法。

概述

I²C兼容2線接口是功能強(qiáng)大的總線機(jī)制，用于連接微控制器或微處理器與低速外設(shè)，例如：集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的外設(shè)?；谠摽偩€的最基本的通信方式(即，寫(xiě)入/讀取從機(jī)寄存器的一個(gè)字節(jié))非常直觀。但是，如果因?yàn)檫@種方法簡(jiǎn)單而掉以輕心，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)錯(cuò)誤。

 

單字節(jié)通道傳送2字節(jié)數(shù)據(jù)

任何連接外設(shè)(尤其是傳感器)的數(shù)字接口，都需要確保從器件的內(nèi)部寄存器正確讀取數(shù)據(jù)，尤其是在讀取寄存器的過(guò)程中數(shù)據(jù)發(fā)生變化的情況下。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，如果ADC執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作并更新寄存器的內(nèi)容，數(shù)據(jù)則會(huì)發(fā)生改變。許多器件帶有內(nèi)部緩存器(通常不能從外部訪問(wèn))，用來(lái)存放最新轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)I²C總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，更新所謂的“用戶可訪問(wèn)”寄存器內(nèi)容。

I²C協(xié)議每次只傳送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，如果有效數(shù)據(jù)字長(zhǎng)超過(guò)8位，并且沒(méi)有合理處置傳輸操作，則會(huì)引發(fā)問(wèn)題。比如，MAX44000環(huán)境光傳感器(ALS)的數(shù)據(jù)寄存器具有多達(dá)14位的數(shù)據(jù)(另有1位作為溢出標(biāo)志，表示需要增加計(jì)數(shù)/亮度設(shè)置)。

表1. MAX44000 ALS數(shù)據(jù)寄存器

我們不能通過(guò)I²C直接讀取所有數(shù)據(jù)ALSDATA[13:0]，需要首先讀取寄存器0x04的內(nèi)容，然后讀取寄存器0x05的內(nèi)容，再把這些數(shù)據(jù)合并到一個(gè)至少16位的寄存器內(nèi)。因此，在讀取這些數(shù)據(jù)時(shí)需要特別謹(jǐn)慎。通過(guò)兩次簡(jiǎn)單的單字節(jié)讀操作(利用STOP (P)條件終止)完成數(shù)據(jù)讀取，如圖1所示。


圖1. 單字節(jié)讀操作

這種方法存在致命缺陷，確切地說(shuō)，向器件發(fā)送STOP條件，返回“用戶可見(jiàn)”的寄存器內(nèi)容。由此，從寄存器0x04讀取數(shù)據(jù)后，實(shí)際的14位數(shù)據(jù)可能在讀取0x05寄存器之前已經(jīng)更新。幾種情形下，這種缺陷可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤。

例如，當(dāng)MAX44000環(huán)境光傳感器處于10位、12位或14位模式時(shí)，亮度處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，假設(shè)亮度在小范圍波動(dòng)，或許亮度正在緩慢上升，或周圍存在少量噪聲，使得0x04和0x05寄存器的14位數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)值為255或256，考慮表2中的三種情形。

表2. 誤差圖示說(shuō)明

在后兩種情形下，我們可能讀到0或511，而不是讀255或256，這是一個(gè)很嚴(yán)重的錯(cuò)誤。發(fā)生這已錯(cuò)誤的原因在于，第一次和第二次讀操作之間，發(fā)出STOP狀態(tài)后，寄存器0x04和0x05中的數(shù)據(jù)被更新。第一種出現(xiàn)問(wèn)題情形下，第一個(gè)字節(jié)可以正確讀出，但在讀第二個(gè)字節(jié)時(shí)，總數(shù)為256的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的最低位為零，因而，我們從器件中得到讀數(shù)0；第二種出現(xiàn)問(wèn)題的情形下，數(shù)據(jù)總計(jì)數(shù)值為256，由于在STOP狀態(tài)發(fā)出后，第二個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)在讀取之前減少了1，所以顯示為511，圖2給出了多次讀取數(shù)據(jù)時(shí)，這種故障的抽樣情況。


圖2. 多次采樣時(shí)，實(shí)際讀取單字節(jié)的數(shù)值

這個(gè)問(wèn)題很容易通過(guò)一次讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)來(lái)避免，如圖3所示。具體操作是，讀取第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，發(fā)送REPEATED START (而不是STOP)進(jìn)行操作，操作非常簡(jiǎn)單。通過(guò)讀取2個(gè)字節(jié)，盡管在兩個(gè)器件之間發(fā)送完全相同的位數(shù)，卻可避免器件不恰當(dāng)?shù)馗翴²C寄存器的內(nèi)容。


圖3. 2字節(jié)讀操作示意圖

上述示例適用于MAX44000和MAX44009，進(jìn)行多次讀操作時(shí)不會(huì)自動(dòng)遞增寄存器指針。器件功能各有差異，但工作原理相同。也可以將其很容易地?cái)U(kuò)展到N字節(jié)讀取操作。應(yīng)用筆記AN3588：“MAXQ2000微控制器軟件I²C驅(qū)動(dòng)”一文給出了幾個(gè)C程序示例。