基于Proteus的I2C總線技術(shù)仿真*

向繼文

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

I2C總線是Philips公司推出的芯片間串行傳輸總線，以2根連線(SDA和SCL)即可實(shí)現(xiàn)完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，具有規(guī)范完整、結(jié)構(gòu)獨(dú)立和使用簡單等特點(diǎn)[1]，最高傳輸速率可達(dá)400 kbps[2].I2C總線最初是為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)的[3].如今，支持I2C技術(shù)的控制器和外圍器件的種類很多，I2C總線技術(shù)在各類電子產(chǎn)品、家用電器和通信設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用.然而，I2C總線器件與主控器件之間的線路連接雖然簡單，但是相應(yīng)的軟件卻較復(fù)雜，其控制程序調(diào)試有一定的難度.針對這個問題，筆者擬設(shè)計(jì)一款I(lǐng)2C器件的控制電路，主控制器采用單片機(jī)，并利用Proteus軟件對所設(shè)計(jì)的I2C器件控制電路進(jìn)行仿真.

1 I2C總線的硬件連接

1.1 I2C總線的硬件連接結(jié)構(gòu)

I2C總線只要求2條信號線，一條是串行數(shù)據(jù)線SDA，另一條是串行時(shí)鐘線SCL[4].2條信號線都是雙向的，各I2C器件的數(shù)據(jù)線均連接到SDA總線上，各I2C器件的時(shí)鐘線均連接到SCL總線上，2條信號線均需要通過上拉電阻連接正電源.I2C總線與單片機(jī)的硬件連接結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 I2C總線與單片機(jī)的硬件連接結(jié)構(gòu)

1.2 I2C總線的器件地址

支持I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的外圍器件較多，常見的有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器、SRAM及E2PROM存儲器、日歷時(shí)鐘芯片、LED/LCD驅(qū)動芯片和數(shù)字音頻處理芯片等.每個連接到I2C總線上的器件都有唯一的地址[5]，器件地址碼為B3，B2，B1，B0，引腳地址為A2，A1，A0，方向控制位為R/W。

地址碼中的器件地址用于區(qū)分器件的大類類型，4位器件地址碼可以支持16個大類器件地址，這個地址由器件廠商給定.引腳地址共3位，最多可以支持8個同一類型的器件，由用戶根據(jù)實(shí)際情況通過物理連接設(shè)定.理論上，連接到I2C總線上的器件最多為16種類型共128個器件，但實(shí)際上是不可能的.這是因?yàn)镮2C總線沒有那么強(qiáng)的驅(qū)動能力，且連接到總線上的器件太多，引腳分布電容也會較大，從而使得信號的質(zhì)量下降，通信的誤碼率增大.方向控制位用于設(shè)定主器件(如單片機(jī))和從器件(如I2C存儲器)的數(shù)據(jù)傳送方向，為1時(shí)設(shè)定為主器件讀從器件傳送來的數(shù)據(jù)，為0時(shí)設(shè)定為主器件對從器件進(jìn)行寫操作.以圖2所示的I2C存儲器為例，設(shè)定各器件的地址.

圖2 I2C存儲器與單片機(jī)的連接

存儲器芯片采用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C02芯片，每片存儲容量為256 B，固定的器件地址碼為1010，引腳地址A2,A1,A0通過硬件連接設(shè)定.根據(jù)電路連接圖(圖2)，可以得到各芯片的地址(表1).

表1 AT24C02芯片的讀寫地址

2 I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在I2C總線協(xié)議中，數(shù)據(jù)的傳輸必須由主器件發(fā)送的起始信號開始，由主器件發(fā)送的停止信號結(jié)束.總線信號包括4種類型：

(1)起始信號.當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA產(chǎn)生從高電平到低電平的跳變，要求SDA在跳變前高電平維持時(shí)間大于4.7 μs，跳變后低電平時(shí)間大于4 μs.

(2)停止信號.當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA產(chǎn)生從低電平到高電平的跳變，要求SDA在跳變前低電平維持時(shí)間大于4 μs，跳變后高電平時(shí)間大于4.7 μs.

(3)應(yīng)答信號.I2C總線每傳送1 Byte的數(shù)據(jù)后，在時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，由接收方將數(shù)據(jù)線SDA拉成低電平，表示數(shù)據(jù)傳輸正確，要求SCL高電平維持時(shí)間大于4 μs.

(4)數(shù)據(jù)信號.在起始信號與停止信號之間傳送的是數(shù)據(jù)信息，包括從器件的地址信息.數(shù)據(jù)信息以操作時(shí)序?yàn)閱挝贿M(jìn)行傳送，字節(jié)數(shù)沒有限制，但每個字節(jié)必須為8 bit，先發(fā)送高位，后發(fā)送低位，每個字節(jié)后面必須接收1個應(yīng)答信號.

在傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)線只允許在時(shí)鐘線SCL為低電平時(shí)改變，因?yàn)闀r(shí)鐘線為高電平時(shí)數(shù)據(jù)線的改變已經(jīng)做了定義，不能用于傳送數(shù)據(jù)信息.

3 Proteus仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 Proteus仿真電路設(shè)計(jì)

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司推出的EDA工具軟件，不僅具備其他 EDA工具軟件的仿真功能，還具備極好的仿真單片機(jī)及外圍器件的功能.采用Proteus軟件進(jìn)行仿真測試，有利于降低系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件成本[6-7].本系統(tǒng)Proteus仿真電路如圖3所示.

圖3 Proteus仿真電路

仿真電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、液晶顯示電路、中斷觸發(fā)電路和I2C存儲器電路等.仿真時(shí)，首先運(yùn)行主程序，液晶模塊LCD1602顯示初始信息，并在主程序中調(diào)用I2C寫信息子程序，分別給3片AT24C02芯片寫入不同的信息；當(dāng)要讀出存儲器中的信息時(shí)，按下單片機(jī)P3.2引腳外接的按鍵觸發(fā)外部中斷0，由外部中斷子程序調(diào)用相關(guān)子程序，分別將3片AT24C02芯片中原來寫入的信息讀出，并通過液晶模塊LCD1602加以顯示.

3.2 主要的子程序設(shè)計(jì)

控制程序采用單片機(jī)匯編語言編寫，該程序能夠非常方便地通過C語言改寫.主要子程序包括液晶模塊相關(guān)子程序、I2C總線啟動子程序、I2C總線停止子程序、檢測應(yīng)答子程序、字節(jié)寫入子程序、多字節(jié)寫入子程序和字節(jié)讀出子程序等，在此僅介紹與I2C總線操作主要相關(guān)的子程序.

(1)總線啟動子程序.該子程序按照I2C總線時(shí)序和電平寬度要求編寫，完成I2C總線的啟動.

I2C_START:SETB SDA ∥拉高數(shù)據(jù)線

NOP

SETB SCL ∥拉高時(shí)鐘線

NOP ∥5條NOP指令延時(shí)

…

CLR SDA ∥拉低數(shù)據(jù)線

NOP ∥5條NOP指令延時(shí)

…

CLR SCL ∥拉低時(shí)鐘線

NOP

RET

(2)總線停止子程序.該子程序按照I2C總線時(shí)序和電平寬度要求編寫，完成I2C總線的停止.

I2C_STOP:CLR SDA

NOP

SETB SCL

NOP ∥5條NOP指令延時(shí)

…

SETB SDA

NOP ∥5條NOP指令延時(shí)

…

RET

(3)字節(jié)寫通用子程序.該子程序完成向存儲器芯片寫入1 Byte數(shù)據(jù)，需要寫入的字節(jié)在累加器A中.

WRBYTE:MOV R0,#08H

WLP:RLC A ∥先發(fā)送高位，再發(fā)送低位

JC WR1

SJMP WR0

WR1:SETB SDA ∥寫1

NOP

SETB SCL

NOP ∥5條NOP指令延時(shí)

…

CLR SCL

SJMP RETURN

WR0:CLR SDA ∥寫0

NOP

SETB SCL

NOP ∥5條NOP指令延時(shí)

…

CLR SCL

RETURN:DJNZ R0,WLP ∥判斷1 B是否發(fā)送完畢

RET

(4)字節(jié)讀通用子程序.該子程序?qū)崿F(xiàn)讀存儲器芯片向單片機(jī)發(fā)送1 Byte數(shù)據(jù)，讀出的字節(jié)放在累加器A中.

RDBYTE:MOV R0,#08H

RLP:SETB SDA

NOP

SETB SCL ∥時(shí)鐘線拉高，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)

NOP

NOP

MOV C,SDA ∥讀數(shù)據(jù)

NOP

NOP

RLC A ∥讀取的數(shù)據(jù)移位到累加器A中

NOP

CLR SCL

DJNZ R0,RLP ∥判斷1 B是否接受完畢

RET

(5)外部中斷0子程序.該子程序?qū)崿F(xiàn)依次讀出3片存儲器芯片的內(nèi)容，并發(fā)送給液晶顯示器顯示.

RD_I2CRAM_INT:ACALL INIT ∥調(diào)用液晶顯示模塊初始化子程序

MOV A,#10000000B ∥設(shè)置液晶顯示第1行起始地址

MOV R1,#00H ∥設(shè)置芯片內(nèi)部讀起始地址

MOV R2,#16 ∥設(shè)置讀取的字節(jié)數(shù)

MOV R3,#10100000B ∥傳送1#片器件地址，寫操作

MOV R4,#10100001B ∥傳送1#片器件地址，讀操作

ACALL RD_I2CRAM ∥調(diào)用讀子程序，并顯示

MOV A,#11000000B ∥設(shè)置液晶顯示第2行起始地址

MOV R1,#0

MOV R2,#8

MOV R3,#10100010B ∥傳送2#片器件地址，寫操作

MOV R4,#10100011B ∥傳送2#片器件地址，讀操作

ACALL RD_I2CRAM

MOV A,#11001000B ∥設(shè)置3#片內(nèi)容顯示的起始地址

MOV R1,#0

MOV R2,#8

MOV R3,#10100100B ∥傳送3#片器件地址，寫操作

MOV R4,#10100101B ∥傳送3#片器件地址，讀操作

ACALL RD_I2CRAM

RETI

3.3 仿真測試

程序運(yùn)行時(shí)，先顯示初始信息“HELLO HOW ARE YOU”(圖4)，并調(diào)用寫信息子程序，對3個存儲器分別寫入不同的字符信息；當(dāng)按下P3.2引腳外接的按鍵觸發(fā)外部中斷0以后，由外部中斷程序調(diào)用相關(guān)子程序依次讀出3片存儲器芯片的內(nèi)容，并在液晶顯示器上顯示出來.仿真測試結(jié)果如圖5所示，由圖可見結(jié)果正確.

圖4 初始信息截圖

圖5 3片存儲器芯片的信息截圖

4 結(jié)語

研究了I2C總線的硬件連接和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，設(shè)計(jì)了一款有3個I2C存儲器的仿真電路，并利用Proteus軟件進(jìn)行了仿真測試.程序采用單片機(jī)匯編語言編寫，能滿足操作時(shí)序中高低電平對時(shí)間的要求，也能非常方便地改寫為C語言程序.采用通用子程序的方式完成程序的編寫，有利于移植到不同類型的I2C器件的程序開發(fā)中.根據(jù)系統(tǒng)功能的不同需求，在實(shí)際應(yīng)用中，可以改用12864之類的LCD顯示模塊，以便顯示更多的信息，還可以連接更多類型的I2C器件，實(shí)現(xiàn)更多的操作需求.