[摘要]介紹I²C總線技術(shù)及其技術(shù)標準。結(jié)合ATMEL公司具有I²C總線的AT24LCO4，給出AT89S51單片機虛擬I²C總線的硬件設(shè)計及軟件實現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞]I²C單片機AT24LC04

中圖分類號：TN91文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210034－02

一、引言

I²C總線是PHILIPS公司推出的一種雙向二線制總線，它包括一條串行數(shù)據(jù)線(SDA)和一條串行時鐘線(SCL)?？偩€中每個器件都有唯一的地址識別，而且都可以作為一個發(fā)送器或接收器。I²C總線是目前常見的一種智能化儀器儀表組成方案，但在很多小型儀表中，使用帶有12C總線接口的高檔單片機在經(jīng)濟上則是不合算的。51系列的單片機是我國目前流行的性價比高的微控制器之一，而大多數(shù)51系列單片機不具備與I²C總線的接口功能。本文以AT89S51單片機為例探究如何在51系列的單片機中實現(xiàn)I²C總線的串行通信和控制外圍I²C總線的器件。

二、I²C總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及時序

(一)I²C總線組成

一個典型的I²C總線系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖一所示，假設(shè)系統(tǒng)中器件均具有I²C總線接口，通過兩根線SDA(串行數(shù)據(jù)線)和SCL(串線時鐘線)連接到I²C總線，并通過總線行識別。

I²C總線的器件分為主器件和從器件。主器件的功能是啟動在總線上傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘脈沖，以允許與被尋址的器件進行數(shù)據(jù)傳送。任何器件均能成為從器件，只有微控制器才能成為主器件。I²C總線允許連接多個微控制器，先控制總線的器件成為主器件。數(shù)據(jù)在主、從器件間傳送，結(jié)束后，主、從器件將釋放總線，退出主、從器件角色。總線上存在主、從器件時，總線處于忙的狀態(tài)，反之，總線處于空閑狀態(tài)。

(二)I²C總線時序

所有主機在SCL線上產(chǎn)生自己的時鐘來傳輸I²C總線上的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只在時鐘的高電平周期有效，每傳輸一個數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個時鐘脈沖，數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線的時鐘信號是低電平時才能改變，當(dāng)SCL為高電平時，SDA的改變表示“開始”和“停止”狀態(tài)，即SDA由高電平轉(zhuǎn)入低電平表示開始，該命令必須在其它命令前執(zhí)行；SDA由低電平轉(zhuǎn)入高電平表示停止狀態(tài)，該命令可終止所有通訊。在開始條件后，SCL低電平期間，SDA允許變化，每位數(shù)據(jù)需一個時鐘脈沖，當(dāng)SCL為高時，SDA必須穩(wěn)定，主控器在應(yīng)答時鐘脈沖高電平期間釋放SDA線，轉(zhuǎn)由接收器控制。相同總線上的設(shè)備在收到數(shù)據(jù)后，以置SDA為低電平的方式對其確認?？偩€不忙時，數(shù)據(jù)線和時鐘線保持為高電平。I²C總線的時序如圖二所示。

三、51單片機系統(tǒng)中I²C總線的實現(xiàn)

51系列單片機上并不帶I²C總線，因此必須根據(jù)I²C總線的時序用單片機上的I/O口模擬I²C總線時序?qū)崿F(xiàn)其功能?，F(xiàn)以單片機應(yīng)用系統(tǒng)中較為常見的E2PROM中AT24LC04為例，介紹在51系列單片機上利用普通I/O口實現(xiàn)I²C串行總線的方法和軟件設(shè)計。

外圍I²C器件選用AT24LC04是EEPROM。其具有512×8位的存儲容量，工作從器件方式，其引腳排列如圖三所示。

其中AO、A1和A2為地址選擇輸入端。單片機與AT24LCO4間進行數(shù)據(jù)傳遞時，首先傳送器件的從地址SLA，START為起始信號，1010為AT24LCO4的器件地址，AO和A1由芯片的AO、A1引腳上的電平?jīng)Q定。

圖四所示為AT89S51單片機和AT24LCO4的接口圖，分別用I/O口P1.6、P1.7連接SCL和SDA總線。通過控制P1.6口的高低電平得到I²C的虛擬時鐘，P1.7口作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向端口，作為單片機和AT24LCO4之間的數(shù)據(jù)線。

四、虛擬I²C總線軟件結(jié)構(gòu)

對于虛擬I²C總線來說要實現(xiàn)其功能主要是注意I²C器件的操作時序，總線的運行由主機控制。所謂主機即啟動數(shù)據(jù)的傳送即發(fā)出啟動信號，發(fā)出時鐘信號，傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設(shè)備，通常主機是微處理器。被主機尋訪的設(shè)備都稱為從機。這里AT89S51是I²C串行總線中的主器件；AT24LCO4是I²C串行總線的從器件。為了進行通訊，每個接到I²C總線的設(shè)備都有一個唯一的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到從機，也可以是從機發(fā)到主機。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設(shè)備稱為發(fā)送器，從總線上接收數(shù)據(jù)的設(shè)備被稱為接受器。表一為程序中所使用的變量及功能。

為了保證嚴格的時序，需要采用匯編程序模擬12C串行時序。程序代碼如下：

SCL EQU P1.6：定義端口

SDA EQU P1.7：

START：CLR SCL；開始信號的傳遞

SETB SDA；

ACALL DELAY；

SETB SCL；

ACALL DELAY；

CLR SDA；

ACALL DELAY；

CLR SCL；

RET；

STOP：CLR SCL；停止信號的傳遞

CLR SDA；

ACALL DELAY；

SETB SCL；

ACALL DELAY；

SETB SDA

ACALL DELAY；

RET；

SEND：MOV R0，#08H；發(fā)送一個字節(jié)

SENDO：RLC A：

MOV C SDA；

SETB SCL；

ACALL DELAY；

CLR SCL；

DJNZ R0.SENDO；

SETB SDA：

PET；

REV：MOV R0，#08H；接收一個字節(jié)

REVO：SETB SCL；

MOV C SDA；

RLC A：

CLR SCL；

DJNZ R7.REV0；

PET；

ACKC：SETB SCL；接收一個應(yīng)答位

ACALL DELAY；

MOV C，SDA；

CLR SCL；

RET；

ACKS：SETB SCL；發(fā)送一個應(yīng)答位

ACALL DELAY；

MOV C SDA；

CLR SCL；

PET；

DELAY：NOP；延時程序

NOP：

NOP；

RET；

五、結(jié)論

本文介紹了I²C總線的組成及時序，并以ATMEL公司的AT24LC04為例模擬I²C總線的時序的起始、停止及CPU向I²C總線的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

基金項目：南校教研字(2007)第003號南寧師范高等?？茖W(xué)?？蒲许椖拷?jīng)費資助。

作者簡介：

黃燦勝，男，廣西扶綏人，南寧師范高等?？茖W(xué)校，工程師，研究方向是單片機應(yīng)用技術(shù)教學(xué)與研究。