模擬I²C總線多主通信研究與軟件設(shè)計(jì)

摘要 介紹模擬I2C總線的多主節(jié)點(diǎn)通信原理，并提出一種新的實(shí)現(xiàn)方法。這種采用延時(shí)接收比較來實(shí)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(shí)對I2C總線的推廣起到了積極作用。

I2C總線（Inter IC BUS）是Philips公司推出的雙向兩線串行通信標(biāo)準(zhǔn)。由于它具有接口少、通信效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用[1~3]。它除了可以進(jìn)行簡單的單主節(jié)點(diǎn)通信外，還可以應(yīng)用在多主節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)中。在多主節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)中，如果兩個(gè)或者更多的主節(jié)點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)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(jìn)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(jìn)行I2C總線設(shè)計(jì)。對于沒有I2C總線接口的MCU，可以采用兩條I/O接口線進(jìn)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(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)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(diǎn)通信的思想及實(shí)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(shí)鐘）和SDA（串行數(shù)據(jù)）兩根總線構(gòu)成的。該總線有嚴(yán)格的時(shí)序要求，總線工作時(shí)，由串行時(shí)鐘線SCL傳送時(shí)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(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)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(gè)字節(jié)，每當(dāng)發(fā)送完1個(gè)字節(jié)后，接收節(jié)點(diǎn)就相應(yīng)給一應(yīng)答信號。協(xié)議規(guī)定，在啟動(dòng)總線后的第1個(gè)字節(jié)的高7位是對從節(jié)點(diǎn)的尋址地址，第8位為方向位（“0”表示主節(jié)點(diǎn)對從節(jié)點(diǎn)的寫操作；“1”表示主節(jié)點(diǎn)對從節(jié)點(diǎn)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(gè)基本信號的時(shí)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(shí)序。起始信號就是在SCL線為高時(shí)SDA線從高變化到低；停止信號就是在SCL線為高時(shí)SDA線從低變化到高；應(yīng)答信號是在SCL為高時(shí)SDA為低；非應(yīng)答信號相反，是在SCL為高時(shí)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(shí)序圖是相同的。

圖1  I2C總線上基本信號的時(shí)序

圖2表示了一個(gè)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(jī)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(diǎn)每發(fā)送1個(gè)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)。

圖2  一次完整的數(shù)據(jù)傳送過程

2  I2C總線的仲裁

在多主的通信系統(tǒng)中。總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節(jié)點(diǎn)被別的節(jié)點(diǎn)訪問，同時(shí)它們都可以作為主節(jié)點(diǎn)向其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。但是如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都向總線上發(fā)送啟動(dòng)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(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平時(shí)，總線上就表現(xiàn)為低電平。當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都發(fā)送高電平時(shí)，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(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘信號時(shí)，在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時(shí)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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)主節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖控制總線時(shí)通信正常進(jìn)行并且數(shù)據(jù)不丟失?？偩€系統(tǒng)通過仲裁只允許一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)占據(jù)總線[1]。

圖3是以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為例的仲裁過程。DATA1和DATA2分別是主節(jié)點(diǎn)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(shí)鐘信號。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)1、2同時(shí)發(fā)送起始信號時(shí)，兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)都發(fā)送了高電平信號。這時(shí)總線上呈現(xiàn)的信號為高電平，兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)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(gè)時(shí)鐘周期，2個(gè)主節(jié)點(diǎn)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(gè)時(shí)鐘周期，主節(jié)點(diǎn)1發(fā)送高電平信號，而主節(jié)點(diǎn)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(shí)主節(jié)點(diǎn)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(jī)接收狀態(tài)。這樣主節(jié)點(diǎn)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(diǎn)2所發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣，而主節(jié)點(diǎn)1在轉(zhuǎn)為從節(jié)點(diǎn)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。

圖3  兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)的仲裁過程

3  多主通信的原理及其實(shí)現(xiàn)流程

多主通信就是在總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)既可以作為主節(jié)點(diǎn)訪問其他的節(jié)點(diǎn)，也可以作為從節(jié)點(diǎn)被其他節(jié)點(diǎn)訪問。當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖占用總線時(shí)，就需要總線的仲裁。對于模擬I2C總線系統(tǒng)，怎樣實(shí)現(xiàn)總線的仲裁是現(xiàn)在研究模擬I2C總線系統(tǒng)的難點(diǎn)。文獻(xiàn)[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(shí)才占有總線。這種實(shí)現(xiàn)多主通信的方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：① 因?yàn)镮2C最大的優(yōu)點(diǎn)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(dāng)主節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多時(shí)，等待時(shí)間比較長，效率不高。本設(shè)計(jì)根據(jù)總線的仲裁原理，提出一種基于延時(shí)比較的仲裁方法。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)想要占用總線時(shí)，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(shí)，將總線上的數(shù)據(jù)接收并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果不同，說明總線上同時(shí)還存在其他節(jié)點(diǎn)，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(shí)還具有良好的擴(kuò)展性。

圖4  多主通信流程

圖4給出了基于延時(shí)比較的多主通信流程，其中MCU作為從節(jié)點(diǎn)部分的流程在圖5中給出。在節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)正在使用總線，要等一段時(shí)間再發(fā)送。當(dāng)總線空閑時(shí)，發(fā)送起始信號，接著發(fā)送要訪問的從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的接收狀態(tài)。如果沒有產(chǎn)生沖突，MCU作為主節(jié)點(diǎn)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(diǎn)狀態(tài)。由于在跳轉(zhuǎn)到從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以繼續(xù)接收總線上的數(shù)據(jù)。這樣整個(gè)通信的過程沒有中斷，數(shù)據(jù)也沒有丟失。

圖5  從節(jié)點(diǎn)部分的流程

圖5給出了從節(jié)點(diǎn)的流程。進(jìn)入從節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)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(jìn)行比較。如果是訪問自己的就進(jìn)入到下面的接收程序，否則跳出。在訪問自己的時(shí)候，還要判斷主節(jié)點(diǎn)是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，以便進(jìn)入相應(yīng)的程序。在寫字節(jié)的子程序中，從節(jié)點(diǎn)每發(fā)送1個(gè)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就要發(fā)送1個(gè)應(yīng)答信號（ACK），以示接收正常，否則主節(jié)點(diǎn)將停止繼續(xù)發(fā)送。在現(xiàn)有的資料中，關(guān)于從節(jié)點(diǎn)的原理和源代碼比較少，這里給出作為從節(jié)點(diǎn)時(shí)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。

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(shí)現(xiàn)中有幾個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)。一是在作為主節(jié)點(diǎn)時(shí)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(jìn)行比較并做出判斷。如果數(shù)據(jù)不同，要跳出并進(jìn)入從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。由于子程序返回主程序時(shí)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(jìn)入從機(jī)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(diǎn)時(shí)的寫字節(jié)的子程序。由于時(shí)鐘線是由主節(jié)點(diǎn)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(gè)難點(diǎn)。三是在具有子地址的從節(jié)點(diǎn)關(guān)于是寫字節(jié)還是讀字節(jié)時(shí)的判斷。如果是寫字節(jié)時(shí)主節(jié)點(diǎn)會(huì)給出新的起始信號，并再次發(fā)送從節(jié)點(diǎn)的地址數(shù)據(jù)。這時(shí)從節(jié)點(diǎn)需要做出判斷是讀取數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，并進(jìn)入相應(yīng)的子程序。這里給出以上三個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)的子程序的源代碼，以供讀者參考。這些源代碼經(jīng)實(shí)踐證明都是正確的。

主節(jié)點(diǎn)的寫字節(jié)子程序：

　　;其中的NOP可根據(jù)時(shí)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

　　OUT1:　RET

　　WR1:　 SETB　SDA;發(fā)送1

　　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(diǎn)的寫字節(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”

　　AJMP 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

　　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(diǎn)的讀字節(jié)同時(shí)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(biāo)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(jì)器

　　DEC　R0

　　MOV　C,ACC.7;判斷是否為起始信號

　　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(biāo)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(shí)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(kuò)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。