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淺談基于I2C總線的多MCU系統(tǒng)設計發(fā)展論文
引 言
隨著微電子技術的發(fā)展和MCU價格的降低，常常在實際應用中使用多片MCU來協(xié)同完成系統(tǒng)功能，以實現(xiàn)更高的性能。在這些系統(tǒng)中多片MCU通過某種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其中使用雙口或多口E2PROM是一種常見的方法[1?2]。這種電路結(jié)構復雜、成本高，需要軟、硬件解決多MCU訪問的競爭問題，更重要的是目前許多MCU不支持外部總線，不能擴展外部E2PROM，因此無法使用這種方法。I2C總線是由Philips公司推出的芯片間串行傳輸總線。它以規(guī)范嚴謹、使用簡單靈活、支持的外圍器件繁多等特點而被廣泛應用。I2C總線具有十分完善的總線協(xié)議，在協(xié)議的支持下，可以自動處理總線上出現(xiàn)的多MCU訪問的競爭。目前的文獻通常是介紹I2C總線在單MCU系統(tǒng)中的應用[3?4]，本文介紹一種利用I2C總線實現(xiàn)多片MCU訪問E2PROM，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的方法。
1 I2C總線工作原理
I2C總線是一種“二線”結(jié)構，分別使用“SDA”和“SCL”信號線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線對與其相連的設備采用軟件尋址。每一種器件都有一個特定的7位I2C地址，以便主機了解當前正與其進行通信的器件。這個7位地址的前4位固定，用來指明器件所屬類別，如1010表明是串行E2PROM器件。后3位（如A2，A1和A0）通過硬件管腳進行設置來修改器件的I2C地址。表示地址字節(jié)的最低1位（R/W）用來指明主控制器向從機發(fā)送（寫，R/W=0）還是接收（讀，R/W=1）來自從機的數(shù)據(jù)。每個傳輸過程都是以起始條件開始，停止或重新開始條件結(jié)束。每一次數(shù)據(jù)傳送都是由主控制器發(fā)起的，如果某一時刻總線上有多個主控器，并且都請求控制總線，這時就要進行總線仲裁處理。一旦一個主控器獲得總線控制權，其他主控器必須等待此主控器發(fā)送完一個停止條件并將總線釋放為“空閑”狀態(tài)方可重新控制總線。在系統(tǒng)中主控制器通常都由MCU擔任。
2 多MCU系統(tǒng)下的I2C總線
I2C總線軟、硬件協(xié)議十分巧妙，它可以用于構成多MCU系統(tǒng)。當系統(tǒng)中有多個I2C總線接口單片機時，會出現(xiàn)多MCU競爭的復雜狀態(tài)。I2C總線軟、硬件協(xié)議以及I2C總線單片機中的SFR保證了多MCU競爭時的協(xié)調(diào)管理。I2C總線提供的狀態(tài)處理軟件能自動處理總線上出現(xiàn)的26種狀態(tài)。在使用I2C總線時將這些軟件工具在程序存儲器中定位，利用這些軟件編制出歸一化操作命令，用于I2C總線應用程序設計十分簡單、方便。
2.1 多MCU竟爭仲裁
主機只能在總線空閑的時侯啟動傳輸。兩個或多個主機可能在起始條件的最小持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生一個起始條件，結(jié)果在總線上產(chǎn)生一個規(guī)定的起始條件。當SCL線是高電平時，仲裁在SDA線發(fā)生；這樣，在其他主機發(fā)送低電平時，發(fā)送高電平的主機將斷開它的數(shù)據(jù)輸出級，因為總線上的電平與它自己的電平不相同，仲裁可以持續(xù)多位。它的第一個階段是比較地址位。如果每個主機都嘗試尋址相同的器件，仲裁會繼續(xù)比較數(shù)據(jù)位（如果是主機—發(fā)送器），或者比較響應位（如果是主機—接收器）。因為I2C總線的地址和數(shù)據(jù)信息由贏得仲裁的主機決定，在仲裁過程中不會丟失信息[5]。
2.2 主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送過程
考慮以下實際應用，系統(tǒng)中有兩片單片機，MCU A進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)存入E2PROM，MCU B不定時地從E2PROM取出數(shù)據(jù)（如圖1所示）。傳輸數(shù)據(jù)的過程如下：
�。�1） 假設MCU A要發(fā)送信息到E2PROM
① MCU A（主機）尋址接收器E2PROM；
② MCU A（主機）發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)到接收器E2PROM；
�、� MCU A終止傳輸。
�。�2） 如果MCU B想從器件E2PROM中接收信息
① MCU B（主機）尋址E2PROM（從器件）；
② MCU B（主機）從E2PROM（從器件）讀數(shù)據(jù)；
③ MCU B終止傳輸。
�。�3） 以上兩種情況同時發(fā)生時，I2C總線起動總線的競爭仲裁功能
�、� MCU A或MCU B贏得總線的控制權，掌管總線，競爭失敗的微控制器退出總線；
�、� 贏得總線的控制權的微控制器尋址E2PROM（從器件），并進行數(shù)據(jù)傳輸；
�、� 贏得總線的控制權的微控制器終止數(shù)據(jù)傳輸，競爭失敗的微控制器試圖掌控總線，從器件尋址，并進行數(shù)據(jù)傳輸；
�、� 數(shù)據(jù)傳送完畢，總線進入空閑狀態(tài)。
由上可知，在多MCU系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)傳送過程要比單主機系統(tǒng)下復雜得多。但I2C總線軟、硬件協(xié)議能進行協(xié)調(diào)管理，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
3 多MCU系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
本應用中選用了兩片P89LPC932單片機及一片24系列的E2PROM。P89LPC932中I/O口P1.3和P1.2為復用端口，在用作I2C通信時，P1.3為SDA，P1.2為SCL，在程序中應該設置為開漏方式。電路中[R1、][R2]為I2C總線的上拉電阻，在具體電路中應適當調(diào)整。選擇上拉電阻要考慮的因素主要為供電電源、總線上的電容 值和連接器件數(shù)。在《I2C總線協(xié)議》中規(guī)定，在供電電壓大于2 V，灌電流為3 mA時，輸出低電平不高于0.4 V。在本電路中供電電壓為（3±0.3） V。，因而上拉電阻的最小值為[（3.3-0.4）0.003=967 ]Ω。上拉電阻的取值不能過大，因為上拉電阻R與總線上的電容值C構成的RC電路的時間常數(shù)，影響了總線從高電平到低電平的過渡時間，因而影響了通信速率。在快速模式中，SDA，SCL信號從低到高的過渡時間應該不大于300 ns，P89LPC932端口輸出電容為15 pF，因而上拉電阻的最大值為[300 ns（0.7×15 pF×3）=9.5 ]kΩ。在電路中[R1，][R2]取值為5 kΩ。
由于P89LPC932單片機中帶有內(nèi)部RC振蕩源，在電路中省略了一般51單片機所需要的晶振，因而電路比較簡單。其硬件電路如圖2所示。
4 多MCU系統(tǒng)下的軟件設計
I2C總線的通信都是由主機發(fā)起的。具體為主機發(fā)送起始條件，然后發(fā)送要操作的從機地址和讀寫命令。在收到從機應答后，進行相應操作。軟件設計主要包括主機的寄存器的設置及讀寫子程序的設計。
4.1 P89LPC932單片機I2C寄存器的設置
LPC932單片機微功耗51內(nèi)核，內(nèi)部集成了I2C總線，支持400K高速模式，既可作I2C總線上的主控器件，也可作I2C總線上的從器件[6]。LPC900單片機的I2C總線通過以下6個特殊功能寄存器實現(xiàn)接口：I2CON（I2C控制寄存器?0D8H）、I2DAT（數(shù)據(jù)寄存器?0DAH）、I2STAT（狀態(tài)寄存器?0D9H）、I2ADR（地址寄存器?0DBH）、I2SCLH（占空比寄存器高字節(jié)?0DDH）、I2SCLLSCL（占空比寄存器低字節(jié)?0DCH）。
I2C地址寄存器在處于主模式時，該寄存器的內(nèi)容無效。I2C狀態(tài)寄存器是一個8位只讀寄存器，它包含了I2C接口的狀態(tài)代碼，最低3位總是為0，I2C一共有26種可能的狀態(tài)。
4.2 多MCU系統(tǒng)下的程序設計
按照I2C總線的規(guī)范，I2C總線數(shù)據(jù)傳送可分為主發(fā)送、主接收、從發(fā)送、從接收4種方式。在多MCU模式下有主發(fā)送、主接收2種方式。每種方式都有典型的傳送過程，這些數(shù)據(jù)傳送都是由一些狀態(tài)碼標記的總線狀態(tài)處理過程組成，因此I2C總線上的一個完整的數(shù)據(jù)傳送是由多個I2C中斷狀態(tài)處理程序來完成的。每出現(xiàn)一個新的狀態(tài)，就會產(chǎn)生一次I2C中斷，然后進入該總線的中斷處理程序，處理完畢中斷返回再等待一次新的中斷及狀態(tài)處理直至結(jié)束。注意以下所說的主機可以是兩片MCU中的任一片，而從機指的是I2C器件。
I2C總線的數(shù)據(jù)操作過程及總線狀態(tài)處理是在標準軟件包的支持下完成，無須用戶介入，用戶可以通過查詢I2C總線的狀態(tài)寄存器就可了解總線的處理狀態(tài)，從而做相應的處理。程序設計流程圖如圖3所示。
I2C通信程序設計要點如下：
�。�1） 每次通信的起始條件和停止條件均由主機發(fā)起，從機只是負責監(jiān)聽主機信號。起始條件和停止條件是通過置位I2CON中的STA和STO位達到的。
（2） 當主機獲得總線，成功發(fā)送啟動條件后，地址和數(shù)據(jù)的發(fā)送是通過寫數(shù)據(jù)寄存器I2DAT達到的。
�。�3） 每次發(fā)送地址和數(shù)據(jù)后應該查詢狀態(tài)寄存器I2STAT檢查數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)以進行下一步動作。
�。�4） 每次通信完畢后主機和從機均應該釋放總線。
程序設計過程中值得注意的是：讀寫過程中從器件的地址是變化的，寫過程中E2PROM的地址是0A0H，讀過程中E2PROM的地址是0A1H。
5 結(jié) 語
本應用以兩片MCU通過I2C總線共享一個存儲器，實現(xiàn)了I2C總線多MCU機應用系統(tǒng)的設計，電路設計簡單，易于擴展，具有較強的實用性。雖然本文是以MCS51內(nèi)核單片機LPC932為例實現(xiàn)的，并且系統(tǒng)中僅兩片MCU，但實際上任何帶有I2C總線接口的多片MCU都可使用該方法。
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