基于I2C 總線實驗設計

宣 慧，孫佳昊，程 實，蔡艷婧，胡傳志

（1. 通富微電子股份有限公司，江蘇 南通 226000；2. 江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3. 南通大學 江蘇省專用集成電路設計重點實驗室，江蘇 南通 226000；4. 南通大學 信息科學與技術(shù)學院，江蘇 南通 226000；5. 江蘇商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院 電子與信息學院，江蘇 南通 226000）

I2C（inter-integrated circuit）總線，主要用于電路板內(nèi)集成電路之間的連接，是由PHILIPS 公司開發(fā)的一種同步串行總線協(xié)議。I2C 總線因為協(xié)議成熟、引腳簡單、傳輸速率高，已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標準，被大多數(shù)的芯片廠家采用。嵌入式系統(tǒng)中常用該總線來連接存儲器[1-3]、傳感器[4-5]和交互設備[6-7]等，因此I2C 總線實驗就成了嵌入式系統(tǒng)實驗教學中極重要的一個環(huán)節(jié)。I2C 總線編程要點在于掌握I2C 總線的數(shù)據(jù)幀格式，本文以TI 公司的TM4C123GH6PM 微控制器通過 I2C 總線接口讀寫 LM75A 溫度傳感器為例，以TivaWare 函數(shù)庫中的I2C 總線API 函數(shù)為工具，研究I2C 總線的實驗設計方法

1 I2C 總線概述

1.1 I2C 總線特征

為了使硬件效益最大和電路最簡單，PHILIPS 公司開發(fā)了一個簡單的雙向兩線總線，實現(xiàn)有效的 IC之間控制，該總線稱為Inter IC 或I2C 總線[8]，具有以下一些顯著特征。

（1）只要求兩條總線線路。一條串行數(shù)據(jù)線SDA，一條串行時鐘線SCL。

（2）對各器件的尋址是軟尋址方式，因此節(jié)點上沒有必需的片選線[9]。

（3）是一個真正的多主機總線，帶有沖突檢測和仲裁，防止多個主機同時開始數(shù)據(jù)傳輸時破壞數(shù)據(jù)。

（4）串行的8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸，位速率在標準模式下可達100 kbit/s，快速模式下可達400 kbit/s，高速模式下可達3.4 Mbit/s。

1.2 I2C 總線上的設備

I2C 總線上的設備分為主機（也稱為主控器）和從機（也成為被控器），主機和從機都既可以是數(shù)據(jù)的發(fā)送方，也可以是數(shù)據(jù)的接收方。主機提供時鐘信號，對總線時序進行控制，一般由微控制器擔任主機；總線上除主機外的其他設備都是從機，一般來說是外圍器件。主機通過從機地址訪問從機，從機之間無法通信，任何數(shù)據(jù)傳輸都必須通過主機進行。在標準的I2C總線中，從機地址被定義為7 位，擴展I2C 總線允許10 位從機地址。

1.3 I2C 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某一I2C 總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過沖突檢測，主機1 在查看總線空閑的情況下（即主機2 不在使用總線），發(fā)送一個開始信號，啟動一次數(shù)據(jù)傳輸，先對從機尋址，再在總線上傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，每傳送一個字節(jié)后都必須跟一個應答位，由接收方回答，所以I2C 總線上的數(shù)據(jù)幀為8 加1 的格式。

圖1 某一I2C 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 I2C 總線上的信號類型

I2C 總線上的信號類型有以下5 個：

（1）開始信號（START），由主機產(chǎn)生，用來建立通信，從此總線將處于忙狀態(tài)，直至結(jié)束通信；

（2）停止信號（STOP），由主機產(chǎn)生，用來結(jié)束通信，此后總線將處于空閑狀態(tài)；

（3）重新開始信號（RESTART），由主機產(chǎn)生，用于改變上次開始時所建立的數(shù)據(jù)傳輸方向或目的從機；

（4）應答信號（ACK），由接收方產(chǎn)生，表示收到數(shù)據(jù)；

（5）非應答信號（NO ACK），由接收方產(chǎn)生，如果是從機作為接收方發(fā)送非應答信號，那么主機認為此次數(shù)據(jù)傳輸失敗；如果是主機作為接收方發(fā)送非應答信號，那么從機認為數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不再往總線上放數(shù)據(jù)。

1.5 I2C 總線數(shù)據(jù)幀格式

I2C 總線上的數(shù)據(jù)幀格式如圖 2 所示，一個標準的I2C 通信由4 部分組成：開始信號、從機地址傳輸、數(shù)據(jù)傳輸和停止信號。開始信號后的第一個字節(jié)為尋址字節(jié)，由7 位的從機地址加1 位方向位構(gòu)成，方向位為0 表示主機寫，方向位為1 表示主機讀。每傳送一個字節(jié)后都必須跟隨一個應答位，每次通信的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)沒有限制，在全部數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，由主機發(fā)送停止信號，結(jié)束通信。

圖2 I2C 總線數(shù)據(jù)幀格式

2 硬件電路設計

實驗中，以TI 公司的TM4C123GH6PM 微控制器作為主機，以LM75A 溫度傳感器作為從機，建立I2C總線連接，TM4C123GH6PM通過I2C 總線讀取LM75A檢測到的溫度值。硬件電路見圖3。

圖3 硬件電路

2.1 TM4C123GH6PM 介紹

TM4C123GH6PM 是 TI 公司的 TM4C123x 系列的微控制器，工作主頻可達 80 MHz，采用 ARM Cortex-M4 浮點內(nèi)核。配備有4 個I2C 模塊，每個模塊既可以作為主機，也可以作為從機，本實驗中將I2C1模塊用作主機，其中SDA 和SCL 為引腳PA7 和PA6的復用功能[10]。

2.2 LM75A

LM75A 是一個帶有I2C 總線接口的溫度傳感器，只能用作從機。微控制器可以通過 I2C 總線直接讀寫其內(nèi)部寄存器：即溫度寄存器、配置寄存器、THYST寄存器和TOS 寄存器[11]。

除了以上 4 個寄存器以外，LM75A 還有一個 8位的指針寄存器，高 6 位等于0，低2 位是其他4 個寄存器的指針值。指針寄存器對用戶來說是不可訪問的，但通過將指針數(shù)據(jù)放置到總線命令中可以用來選擇需要讀寫的寄存器，其中00 是溫度寄存器的指針，01 是配置寄存器的指針，10 是THYST 寄存器的指針，11 是TOS 寄存器的指針。

溫度寄存器是16 位的只讀寄存器，其中D0—D6為全零，D7—D15 保存當前溫度值，這9 位以二進制補碼數(shù)據(jù)的形式存放分辨率為0.5 ℃的溫度值。其中D8—D15 為整數(shù)部分，D7 為小數(shù)部分。

LM75A 在總線上的7 位從機地址由兩部分構(gòu)成，其中低3 位由外部引腳A2、A1 和A0 的邏輯值定義，高4 位由內(nèi)部硬連線預先設置為“1001”，因此地址范圍是0X48—0X4F。實驗中將 A2、A1 和A0 全部接地，因此地址為0X48。

通過 I2C 總線讀取 LM75A 溫度寄存器的過程：第1 步，MCU 發(fā)送開始信號，并尋址LM75A，寫方式；第2 步，MCU 寫指針寄存器（00，指向溫度寄存器）；第3 步，MCU 發(fā)送重新開始信號以改變數(shù)據(jù)傳輸方向，尋址LM75A，讀方式；第4 步，MCU 讀溫度寄存器的高8 位；第5 步，MCU 讀溫度寄存器的低8 位；第6 步，MCU 發(fā)送停止信號，釋放總線。讀取溫度寄存器見圖4。

圖4 讀取溫度寄存器

3 基于TivaWare 的程序設計

TivaWare 是一套廣泛用于控制各種TM4C 系列器件外設功能的驅(qū)動包，即驅(qū)動函數(shù)庫，其中的 I2C 庫提供了一些用于I2C 操作的API 函數(shù)[12]。程序設計中將用到以下函數(shù)：

（1）I2CMasterSlaveAddrSet 用來發(fā)送開始信號、尋址字節(jié)；

（2）I2CMasterDataPut 將數(shù)據(jù)寫入 I2C 主機數(shù)據(jù)寄存器；

（3）I2CMasterDataGet 從 I2C 主機數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)；

（4）I2CMasterControl 控制主機模塊的發(fā)送或接收；

（5）I2CMasterBusy 查看主機是否在忙于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；

參照圖4 中讀取溫度寄存器的數(shù)據(jù)幀格式，設計函數(shù)Read_LM75A 如下：

4 實驗結(jié)果

實驗中，每秒鐘讀一次LM75A，并將溫度值（包括高位字節(jié)和低位字節(jié)）以十進制格式通過串行口發(fā)送到 PC 的超級終端。為了體現(xiàn)溫度的變化，實驗中用電吹風加熱 LM75A 的周邊環(huán)境，通過超級終端看到了緩慢遞增的溫度值，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 超級終端輸出的溫度值

為了更清楚地表示溫度，可以將溫度寄存器的值轉(zhuǎn)換為攝氏度，高位字節(jié)（MSB）為整數(shù)部分；低位字節(jié)的 D7 位為小數(shù)部分，所以低位字節(jié)（LSB）為128 即 0.5 ℃，為0 即 0.0 ℃，將整數(shù)部分加上小數(shù)部分即得到溫度的攝氏度值。將圖5 的輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為攝氏度值的結(jié)果見表1。

表1 超級終端輸出的溫度攝氏度值

5 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，該實驗實現(xiàn)了對I2C 總線的讀寫功能，該實驗的設計方法對實踐中I2C 總線的程序設計有一定借鑒意義。文中為了清楚闡明I2C 總線的讀寫時序，采用了查詢等待的模式，實際應用中為了提高系統(tǒng)的實時性，應該采用中斷模式。