I2C串行总线在单片机8031应用系统中的设计与实现

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新闻出处：钱　江发布时间： 2007年03月15日

【摘要】目前，MCS51系列、ATMEL89系列、68HC05系列等单片机应用很广，但他们均没有I²C总线接口，限制了在这些系统中使用具有I²C总线接口器件的应用。本文将介绍I²C串行总线的性能，并以串行E²PROM为例，给出在8031上利用I/O线实现I²C串行总线的方法和软件设计。
　　关键词：单片机，I²C总线，接口

1　I²C总线概述
　　I²C（inter IC bus）总线是由Philips公司提出的串行通信接口规范，常见的中文译名有“集成电路间总线”或“内部集成电路总线”。它使用两条线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），使连接到该总线上可访问的器件之间传送信息，属于多主控制总线。总线上的每个器件均可设置唯一的地址，从而可实现器件的有效访问。自Philips公司推出I²C总线后，Philips公司及其他公司纷纷相继推出了许多I²C总线产品，如各种微处理器、存储器（PCF8571/8570，128/256 字节）、A/D（PCF8591）、D/A（TDA8442/8444）转换器、E²PROM及各种I²C总线接口电路（PCF8584）等。由于I²C总线的使用可以简化电路，省掉了很多常规电路中的接口器件，提高产品的可靠性，在许多领域尤其在目前使用的IC卡获得了广泛的应用，国际标准ISO7816-2规定了IC卡与读写设备信息传输是基于I²C总线传输协议的。不仅如此，I²C总线在家电方面也有较广泛的应用，如国产长虹NC-3机芯彩电，东芝火箭炮等。尽管Philips公司推出带有I²C总线接口的80C31系列单片机，如：8XC528、8XC552、8XC562、8XC751等，但在单片机组成的智能化仪表和测控系统中，乃有相当比例数量使用的是MCS51、AT89C5X系列单片机，如8031、8751、AT89C51、AT89C52等，它们不具有I²C串行总线接口。本文将结合笔者在开发智能化产品用到的E²PROM，介绍在不具有I²C串行总线接口的单片机8031应用系统中实现I²C总线接口的方法和软件设计。

2　I²C总线的组成及I²C总线性能
2.1　I²C总线的特点
　　由于I²C总线仅用二条线来传达信息，因而具有独特的优点：
　　① 可最大限度地简化结构；可实现电路系统的模块化、标准化设计。
　　② 标准I²C总线模块的组合开发方式大大地缩短了新产品的开发周期。
　　③ I²C总线系统具有很大的灵活性；I²C总线各节点具有独立的电气特性。
　　④ I²C总线系统可方便地对某一节点电路故障进行诊断与跟踪，有很好的可维护性。
2.2　I²C总线的组成
　　I²C总线是芯片间串行传输总线，与SPI，MICROWIRE/PLUS接口不同，它以一根串行数据线和一根串行时钟线组成，如图1所示，它是全双工双向数据传输线，核心是主控CPU，被控器的SDA，SCL要相应地接到I²C总线的SDA，SCL上，可以方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I²C总线采用了器件地址的硬件设置方法，从而使硬件系统具有简单而灵活的扩展方法。按照I²C总线的规定，其SDA、SCL各要通过上拉电阻接到电源VCC上。

1701.gif (5395 bytes)

图1　I²C总线的组成

2.3　I²C总线协议
　　任何总线的推出及应用都有其特有的规定，其总线时序图如图2所示。

1702.gif (2639 bytes)

图2　I²C总线时序图

　　I²C总线一般须满足如下协议：
　　① 只有当总线不忙时，数据传送才能开始；
　　② 数据传送期间，无论何时时钟线为高，数据线必须保持稳定。当时钟线为高时，数据线的变化将认为是传送的开始或停止；
　　③ 当时钟线为高时，数据线由高到低的变化决定开始条件；
　　④ 当时钟线为高时，数据线由低到高的变化决定停止条件；
　　⑤ 在开始条件后，SCL低电平期间，SDA允许变化，每位数据需一个时钟脉冲，当SCL为高时，SDA必须稳定；
　　⑥ 主控器在应答时钟脉冲高电平期间释放SDA线高，转由接收器控制。受控器在应答时钟脉冲高电平期间必须拉低SDA线，以使之为稳定的低电平作为有效应答；
　　⑦ 总线不忙时，数据线和时钟线保持为高电平。
2.4　I²C总线上的数据传输方式
　　图3为I²C总线数据传输格式示意图，第一部分为数据传输起始信号，即由此开始进行数据传送；第二部分为受控IC的地址，用来选择向哪一个受控IC传送数据；第三部分为读/写位，它指示出受控IC的工作方式；第四部分为应答信号，它是被CPU选中的受控IC向CPU传回的确认信号；第五部分为传送的数据；第六部分为停止位。在I²C总线上挂接的所有被控IC都要有一个自己的地址，CPU在发送数据时，I²C总线上的所有被控IC都会将CPU发出位于起始信号后面的受控电路地址与自己的地址相比较，如果两者相同，则该被控IC认为自己被CPU选中，然后按照读/写位规定的工作方式接收或发送数据。

起始

被控IC地址

读/写控制位

应答位

数据

停止

图3　I²C总线数据传输格式

3　I²C总线在单片机8031中的实现
　　因为8031单片机不带有I²C总线硬件接口，只能靠编写软件来模拟I²C总线时序。这里以单片机应用系统中较为常见的E²PROM中AT24C02为例，给出了在8031上利用I/O线实现I²C串行总线的方法和软件设计。根据I²C总线时序图和I²C总线的数据传输规范，给出详细的AT24C02起始、停止、发送和接收R₇个字节的驱动程序清单。

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图4　I²C总线接口原理图

　ORG　　××××　　　　　　；程序开始地址。
　SCL　　EQU　P1.1　　　　；选择P1.1作时钟线。
　SDA　　EQU　P1.0　　　　；选择P1.0作数据线。
　　功能：WRITE是写入程序。将R₁指示的R₇个片内字节写入AT24C02中，写入首址由R₀指示。
　WRITE：ACALL STAR　　　；发出起始信号。
　　　　 MOV A，#0A0H　　；发出写命令。
　　　　 ACALL OUTB
　　　　 JC WBE　　　　　；无回答，结束操作。
　　　　 MOV A，R₀　　　　；发出E²PROM首址。
　　　　 ACALL OUTB
　　　　 JC WBE　　　　　；无回答，结束操作。
　WR1：　MOV A，@R₁　　　；取一字节内容。
　　　　 ACALL OUTB　　　；写入E²PROM中。
　　　　 JC WBE　　　　　；无回答，结束操作。
　　　　 INC R₁　　　　　；指向下一字节。
　　　　 DJNZ R₇，WR1　　；写完全部字节。
　WBE：　AJMP STOP　　　　；发出结束信号。
　　功能：READ是读出程序。将R₁指示的R₇个E²PROM字节读入片内RAM中，首址由R₀指示。
　READ： ACALL STAR　　　；发出起始信号。
　　　　 MOV A，#0A0H　　；发出写命令。
　　　　 ACALL OUTB
　　　　 JC RDE　　　　　；无回答，结束操作。
　　　　 MOV A，R₁　　　　；发出E²PROM首址。
　　　　 ACALL OUTB
　　　　 JC RDE　　　　　；无回答，结束操作。
　　　　 ACALL STOP　　　；发出结束信号。
　　　　 NOP　　　　　　　；延时。
　　　　 NOP
　　　　 ACALL STAR　　　；再次发出起始信号。
　　　　 MOV A，#0A1H　　；发出读命令。
　　　　 ACALL OUTB
　　　　 JC RDE　　　　　；无回答，结束操作。
　RD1：　MOV B，#08H　　　；每移出8位组成一字节。
　RD2：　CLR SCL　　　　　；移出一个时钟脉冲。
　　　　 NOP
　　　　 SETB SCL　　　　；时钟脉冲上升沿。
　　　　 NOP
　　　　 MOV C，SDA　　　；读入一位。
　　　　 RLC A　　　　　；拼装到累加器中。
　　　　 NOP
　　　　 DJNZ B，RD2　　　；拼完一字节。
　　　　 MOV @R₀，A　　　；存入片内。
　　　　 INC R0　　　　　；指向下一地址。
　　　　 CLR SCL　　　　　；时钟脉冲下降沿。
　　　　 CJNE R₇，#1，RD3 ；是最后一个字节吗？
　　　　 SETB SDA　　　　；最后一个字节不给回答信号。
　　　　 SJMP RD4
　RD3：　CLR SDA　　　　　；准备好回答信号。
　RD4：　NOP
　　　　 SETB SCL　　　　；时钟脉冲上升沿。
　　　　 NOP　　　　　　　；等待E²PROM读取回答信号
　　　　 NOP
　　　　 CLR SCL　　　　　；回答完毕。
　　　　 SETB SDA　　　　；准备读入下一字节。
　　　　 DJNZ R₇，RD1　　；读完全部字节。
　　　　 CLR C
　RDE：　AJMP STOP　　　　；发出结束信号。
　　功能：OUTB是向E²PROM发出一字节信息的子程序。
　OUTB： MOV B，#08H　　　；一字节8位。
　OUT1： CLR SCL　　　　　；将时钟线拉低。
　　　　 RLC A　　　　　　；移出一位。
　　　　 MOV SDA，C　　　；放到数据线上。
　　　　 SETB SCL　　　　；将时钟线升高。
　　　　 NOP　　　　　　　；等待一位信息送入E²PROM中。
　　　　 DJNZ B，OUT1　　；发送完8位。
　　　　 CLR SCL　　　　　；将时钟线拉低。
　　　　 SETB SDA　　　　；准备接收回答信号。
　　　　 SETB SCL　　　　；将时钟线升高。
　　　　 NOPMOV C，SDA　　；接收回答信号。
　　　　 CLR SCL　　　　　；将时钟线拉低。
　　　　 RET
　　功能：STAR是起始信号。
　STAR： SETB SDA　　　　；将数据线升高。
　　　　 SETB SCL　　　　；将时钟线升高。
　　　　 NOP　　　　　　　；延时。
　　　　 CLR SDA　　　　　；将数据线拉低，发出起始信号。
　　　　 NOP　　　　　　　；延时。
　　　　 CLR SCL　　　　　；将时钟线拉低。
　　　　 RET
　　功能：STOP是结束信号。
　STOP： CLR SCL　　　　；将时钟线拉低。
　　　　 CLR SDA　　　　　；将数据线拉低。
　　　　 NOP
　　　　 SETB SCL　　　　；将时钟线升高。
　　　　 NOP
　　　　 SETB SDA　　　　；将数据线升高，发出结束信号。
　　　　 RET
　　　　 END

4　结束语
　　本文给出了用8031汇编语言模拟I²C总线的时序的起始、停止及主控器向I²C总线的发送和接收R₇字节的程序，读者也可根据I²C总线的操作时序在ATMEL89系列、68HC05系列等单片机及其外设接口如8255、8155或74LS377上实现I²C总线的操作，具有一定的通用性，且易于嵌入移植。

参考文献
　1　Atmel Integrated Circuit Date Book,1994
　2　武汉力源公司.CMOS串行EEPROM原理及应用
　3　王卓人,邓晋钧,刘宗祥.IC卡的技术与应用.北京：电子工业出版社,1999.2

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