嵌入式控制系統(tǒng)中I2C串行EEPROM器件應(yīng)用*

王樹梅

(山東省水利職工大學(xué)，山東 淄博255130)

I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器因具有外形體積小、接口緊湊簡單、占用引腳資源少、數(shù)據(jù)保存可靠、可在線改寫、功耗低和價(jià)格低廉等顯著特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)中，用于存放配置參數(shù)、調(diào)整和運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息。但由于其為同步串行傳輸，通訊協(xié)議非常簡單，沒有提供更為復(fù)雜的糾錯(cuò)和檢測機(jī)制，在實(shí)踐中經(jīng)常因使用不當(dāng)造成數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)無故改寫等問題。對(duì)于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)要求非常高的系統(tǒng)，例如計(jì)量產(chǎn)品、無人值守系統(tǒng)等，如果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生意外錯(cuò)誤，造成的損失是致命的，因此在設(shè)計(jì)使用I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器時(shí)，更多地需要硬件和軟件相互接合，采取一些相關(guān)的處理措施，使得產(chǎn)品能夠在各種惡劣的使用環(huán)境中可靠、正確地運(yùn)行。

1 硬件處理措施

硬件處理過程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）電源是一個(gè)控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基石，很多產(chǎn)品與外界的有線連接就是電源連接。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)電源電路進(jìn)行有效濾波處理，并且應(yīng)該通過EMC的試驗(yàn)檢測來降低電源紋波噪聲，抑制高頻震蕩和高壓脈沖的侵入，減少由于噪聲過大而引起的I2C串行EEPROM器件讀寫失誤。這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)閷?shí)踐中很多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不知何故而發(fā)生了錯(cuò)誤，可能的一個(gè)重要原因就是電源的抗干擾能力有限，從而導(dǎo)致I2C總線干擾。

（2）由于特殊原因，盡管對(duì)電源已經(jīng)進(jìn)行了有效處理，仍無法避免電磁的干擾，在使用I2C串行EEPROM時(shí)，在I2C規(guī)范限制條件下，可以采取減小上拉電阻和使用I2C總線驅(qū)動(dòng)器提高輸出驅(qū)動(dòng)能力等措施來有效降低電磁干擾對(duì)讀寫的影響。

（3）I2C串行EEPROM 一般具有欠壓復(fù)位電路，如果微處理器欠壓復(fù)位的門限電壓高于I2C串行EEPROM，那么，由于電磁干擾造成的電壓波動(dòng)使得微處理器可能會(huì)在總線通信過程中率先復(fù)位，而I2C串行EEPROM保持其當(dāng)前狀態(tài)，導(dǎo)致總線出現(xiàn)“掛死”現(xiàn)象，使得數(shù)據(jù)傳輸不同步而出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此，應(yīng)盡量采用帶有掉電檢測功能的微處理器，設(shè)置微處理器掉電復(fù)位門檻電壓低于I2C串行EEPROM的欠壓復(fù)位門檻，使得微處理器與I2C串行EEPROM同步復(fù)位[1]。

（4）為防止總線意外“掛死”，如果設(shè)計(jì)允許，最好能控制I2C器件的電源或選擇帶有復(fù)位引腳的器件。

（5）對(duì)于具有寫保護(hù)功能的 I2C串行 EEPROM，可充分利用寫保護(hù)引腳來提供硬件寫保護(hù)功能，將寫保護(hù)引腳連接到微處理器的I/O口線上，控制器件在平時(shí)處于寫保護(hù)狀態(tài)；需要寫入時(shí)，將寫保護(hù)引腳變?yōu)檫壿嫛?”。注意，寫保護(hù)引腳不能懸空，否則器件將無法正常工作。

2 軟件處理措施

在保證硬件電路設(shè)計(jì)可靠的同時(shí)，提高軟件的抗干擾能力同樣重要。在對(duì)I2C串行EEPROM進(jìn)行讀寫操作時(shí)，要從兩個(gè)方面進(jìn)行可靠性的設(shè)計(jì)，首先要保證I2C總線通訊的完整和有效性，其次就是保證I2C串行EEPROM讀寫數(shù)據(jù)的正確性。

2.1 保證 I2C總線通訊的完整和有效性措施

2.1.1 總線復(fù)位

前面講到在I2C總線通訊過程中，由于電磁干擾等因素可能導(dǎo)致總線“掛死”或通訊失效，所以在啟動(dòng)通訊前，應(yīng)先對(duì)I2C串行EEPROM器件進(jìn)行復(fù)位操作，以保證I2C總線處于暢通狀態(tài)。對(duì)于具有復(fù)位引腳的器件，提供復(fù)位信號(hào)重新復(fù)位；而對(duì)于無復(fù)位引腳的器件，若電路設(shè)計(jì)中能控制其電源，則給器件上電復(fù)位；若無法控制器件電源，則啟動(dòng)“恢復(fù)序列”復(fù)位。恢復(fù)序列操作流程為：

（1）在 SCL線發(fā)送 9個(gè)時(shí)鐘脈沖；

（2）由 Master保持 SDA線為高，直到 Slave-Transmitter模式釋放SDA執(zhí)行ACK操作；

（3）在 ACK操作時(shí)，保持SDA線為高；

（4）在 Master-Receiver和 Slave-Transmitter模式都結(jié)束后，Master發(fā)送一個(gè)Stop命令完成初始化總線[1]。

恢復(fù)序列如圖1所示。

圖1 軟件復(fù)位序列

2.1.2 通訊流程

對(duì)于具有硬件I2C協(xié)議的微處理器，都有一個(gè)總線狀態(tài)寄存器，每一個(gè)狀態(tài)都有一個(gè)唯一的狀態(tài)碼與之對(duì)應(yīng)，指示總線接口的當(dāng)前狀態(tài)，并且提供下一步的典型操作。可以充分利用這些狀態(tài)碼來判斷總線通訊是否正常，若不正常應(yīng)執(zhí)行總線復(fù)位。若微處理器沒有I2C協(xié)議接口，而是采用模擬方式對(duì)I2C串行EEPROM操作，那么每步操作后應(yīng)檢測接收到的ACK信號(hào)，若信號(hào)為邏輯“1”，應(yīng)執(zhí)行總線復(fù)位。

2.2 保證I2C串行EEPROM讀寫數(shù)據(jù)的正確性措施

I2C總線協(xié)議比較簡單，本身對(duì)數(shù)據(jù)沒有容錯(cuò)機(jī)制，所以，在保證總線通訊完整和有效的前提下，應(yīng)對(duì)讀寫數(shù)據(jù)的正確性采取相應(yīng)的處理機(jī)制。

2.2.1 數(shù)據(jù)分區(qū)存放

重要數(shù)據(jù)和參數(shù)應(yīng)分區(qū)存放，根據(jù)I2C串行存儲(chǔ)容量和存放的數(shù)據(jù)量分為3個(gè)區(qū)域或更多的奇數(shù)個(gè)區(qū)域，多個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)同步刷新，這樣就大大降低了由于強(qiáng)干擾造成的數(shù)據(jù)無法應(yīng)用的情況。數(shù)據(jù)存放格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)存放格式

其中校驗(yàn)碼可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)算速度，選擇單字節(jié)或16 bit CRC碼。

2.2.2 數(shù)據(jù)寫入

數(shù)據(jù)寫入采取口令校對(duì)機(jī)制，寫入數(shù)據(jù)前生成寫入口令，在寫入子程序入口處檢驗(yàn)口令的正確性，如果口令正確，則啟動(dòng)寫入程序，操作完畢后使口令作廢；若口令錯(cuò)誤，則轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處理程序或放棄本次寫操作[2]。這樣將杜絕由于程序跑飛等原因造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤改寫。

在調(diào)用數(shù)據(jù)寫入程序前，根據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則生成所寫入數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼，連同校驗(yàn)碼一同寫入存儲(chǔ)區(qū)域，并且同步刷新所有區(qū)域。其校驗(yàn)碼是讀取數(shù)據(jù)時(shí)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正確與否的評(píng)判依據(jù)。數(shù)據(jù)寫入流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)寫入流程

2.2.3 數(shù)據(jù)讀取

讀取數(shù)據(jù)時(shí)，依次從各存放區(qū)域連同數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼同時(shí)讀出，根據(jù)同樣的數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則產(chǎn)生新的校驗(yàn)碼，通過該校驗(yàn)碼與讀出的校驗(yàn)碼比對(duì)，判斷讀出數(shù)據(jù)的正確性[3]。評(píng)判原則為：若有一個(gè)存放區(qū)域的數(shù)據(jù)是正確的，則結(jié)束讀操作；若所有區(qū)域數(shù)據(jù)都不正確，則轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤處理程序或放棄本次操作。數(shù)據(jù)讀取流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)讀取流程

2.2.4 錯(cuò)誤處理

(1)寫入錯(cuò)誤。由于程序跑飛等原因造成非法數(shù)據(jù)進(jìn)入寫入子程序入口，若看門狗未起作用，程序應(yīng)強(qiáng)制轉(zhuǎn)到復(fù)位入口開始執(zhí)行，并記錄該事件，以備查詢。

(2)讀出錯(cuò)誤。若所有區(qū)域數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，條件允許的情況下，應(yīng)發(fā)出告警提示，以避免造成更多的系統(tǒng)傷害；其他情況下應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)，判斷與正確結(jié)構(gòu)相近的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，或者將上一次的正確數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，并刷新每個(gè)存放區(qū)域數(shù)據(jù)，記錄該事件，以備查詢。

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，找出了嵌入式控制系統(tǒng)中使用I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器可能存在的問題及其產(chǎn)生的原因，并介紹了相應(yīng)的處理和保護(hù)措施。通過在產(chǎn)品實(shí)踐中的應(yīng)用，收到了很好的效果，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。這些技術(shù)實(shí)用、可靠，在對(duì)I2C串行EEPROM存儲(chǔ)器進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)可以借鑒。

[1]Microchip Technology Inc.I2C串行EEPROM系列數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].2008：1-21.

[2]李維平，張濤，丁振君.延長EEPROM使用壽命的方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（6）：76-78.

[3]何立民.I2C總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995：50-80.