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[導(dǎo)讀]I2C總線接口器件在視頻處理、移動通信等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。另外,通用的I2C總線接口器件,如帶I2C總線的RAM,ROM,A/D,D/A,LCD驅(qū)動器等,也越來越多地應(yīng)用于計算機及自動控制系統(tǒng)中。隨著I2C接口器件越來越廣泛的應(yīng)用,8051系列單片機與他之間的通信越來越頻繁。

1 前 言

I2C總線接口器件在視頻處理、移動通信等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。另外,通用的I2C總線接口器件,如帶I2C總線的RAM,ROM,A/D,D/A,LCD驅(qū)動器等,也越來越多地應(yīng)用于計算機及自動控制系統(tǒng)中。隨著I2C接口器件越來越廣泛的應(yīng)用,8051系列單片機與他之間的通信越來越頻繁。

8051系列單片機與I2C總線接口器件通信時,8051的通用口與I2C總線器件的SCL,SDA連接。根據(jù)I2C 總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,8051必須對其兩個通用口進行頻繁的置位、清零。根據(jù)基于51指令系統(tǒng)編制的匯編程序,傳送一位數(shù)據(jù),需要9個機器周期,而對于 8051,一個機器周期要耗費6個時鐘周期,即用54個時鐘周期才能傳送一位數(shù)據(jù)。如此則極大地占用了CPU的工作時間,降低了系統(tǒng)的工作效率,導(dǎo)致I2C器件的優(yōu)勢難以顯現(xiàn)。因此,有必要設(shè)計8051與I2C總線的專用接口電路。該接口電路能夠?qū)2C總線上的數(shù)據(jù)進行自動收發(fā),而CPU只需要通過并口訪問該接口電路中的有關(guān)寄存器就可以實現(xiàn)與I2C器件的數(shù)據(jù)交換,從而使整個系統(tǒng)的性能得到提高。本設(shè)計用VHDL硬件描述語言為工具,用ALTERA公司的 MAXPLUSⅡ軟件進行編譯仿真,下載芯片為EPM7128SLC84-15。

2 設(shè)計目標和要求

為了提高數(shù)據(jù)傳送的速度,設(shè)計一個I2C接口電路。8051不直接與I2C器件交換數(shù)據(jù),而是通過并口與該I2C接口電路交換數(shù)據(jù),I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送也通過該I2C接口電路來完成。從而通過CPU的外部存儲器讀寫指令就可實現(xiàn)與I2C器件的數(shù)據(jù)交換,使對串口的操作用并口的方式來實現(xiàn)。

在I2C接口電路內(nèi)部有一個控制寄存器CI0和一個數(shù)據(jù)寄存器CI1,即I2C接口電路占用兩個地址。通過寫控制寄存器CI0的內(nèi)容實現(xiàn)對I2C接口電路的編程,讀寫數(shù)據(jù)寄存器CI1的內(nèi)容實現(xiàn)與I2C器件的數(shù)據(jù)交換。在CI0中的內(nèi)容定義了8051對I2C器件進行操作的類型(讀或?qū)?和I2C器件內(nèi)地址的字節(jié)數(shù)等信息,使I2C接口電路能夠識別從8051傳來的數(shù)據(jù)是地址還是數(shù)據(jù)、8051將要發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的長度等。

如果8051要發(fā)送數(shù)據(jù)給I2C器件,則根據(jù)I2C總線協(xié)議,在數(shù)據(jù)CI1接收到第一個數(shù)據(jù)后啟動I2C總線,然后將CI1中的數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換后逐位發(fā)出,發(fā)出完畢后設(shè)置一個標志位,使8051知道可以發(fā)送下一個總線后首先寫I2C器件內(nèi)地址,然后進行數(shù)據(jù)接收,進行串并轉(zhuǎn)換后將接收到的數(shù)據(jù)裝入CI1中,再設(shè)置標志位,使8051知道可以讀出數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述設(shè)計要求,I2C接口芯片的引腳如圖1所示。其中clk可以使用獨立的時鐘,使I2C總線的位傳送速度遠高于8051的位操作,從而可使I2C總線的數(shù)據(jù)傳送接近并口的數(shù)據(jù)速率;a0是地址信號輸入,a0=0時進行CI0寫操作,當(dāng)a0=1時進行CI1讀/寫操作;bz為標志輸出位,bz=0時,8051需要等待,bz=1時8051可以對CI1操作。

I2C接口芯片在系統(tǒng)中的情況如圖2所示。這里8051對I2C接口芯片操作使用了查詢方式,也可以改用中斷方式。

3 并行接口設(shè)計的實現(xiàn)

3.1 接口設(shè)計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)由控制寄存器CI0,數(shù)據(jù)寄存器CI1,并串轉(zhuǎn)換,串并轉(zhuǎn)換,移位寄存器以及I2C控制模塊6部分構(gòu)成。

3.2 方式控制字

8051向控制寄存器CI0寫控制字,實現(xiàn)對I2C接口的編程控制。CI0的控制字格式如下所示:

A2,A1,A0位:對與8051相連的I2C器件組的片選(器件地址)。對應(yīng)不同值時選擇不同的器件通信。

R/W:用來控制8051對I2C器件的讀寫操作。1表示8051對I2C器件讀數(shù)據(jù);0表示8051對I2C器件寫數(shù)據(jù)。

M1M0:當(dāng)S=1時的4種工作方式:

①I2C總線未連接,要進行寫操作。

②I2C總線未連接,要進行讀操作。

③I2C總線已連接,換一個I2C器件或換新地址,要進行寫操作。

④I2C總線已連接,換一個I2C器件或換新地址,要進行讀操作。

S:工作控制位。當(dāng)S=0時,關(guān)閉I2C總線,其他情況S=1。

DZS:指明8051對I2C器件讀寫的地址數(shù)。具體為:

0:8051對I2C器件內(nèi)單字節(jié)地址讀寫。

1:8051對I2C器件內(nèi)雙字節(jié)地址讀寫。

3.3 I2C模塊對I2C傳輸協(xié)議的實現(xiàn)

根據(jù)I2C數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,時鐘為高電平時,數(shù)據(jù)線由高電平向低電平跳變,啟動I2C數(shù)據(jù)傳輸。然后每到來一個時鐘脈沖,傳送一位串行數(shù)據(jù),第8個脈沖到來后,已完成一個字節(jié)的傳輸,第9個脈沖時,發(fā)送應(yīng)答信號。寫數(shù)據(jù)時,I2C器件收到數(shù)據(jù),發(fā)送應(yīng)答信號;讀數(shù)據(jù)時,8051收到數(shù)據(jù),發(fā)送應(yīng)答信號。數(shù)據(jù)傳送過程中,時鐘為高電平期間,數(shù)據(jù)線上的內(nèi)容保持不變。數(shù)據(jù)傳送完畢,應(yīng)答結(jié)束后,需要用停止信號停止數(shù)據(jù)傳輸,時鐘高電平時,數(shù)據(jù)線由低電平向高電  55平跳變來實現(xiàn)此停止信號。

I2C模塊實現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。start信號為1時,啟動數(shù)據(jù)傳輸;write信號為1時,向I2C器件寫數(shù)據(jù),read信號為1時,向I2C器件讀數(shù)據(jù)。

讀寫過程中,輸出標志位flag、計數(shù)器dcnt,控制en的兩位矢量,從而控制并串轉(zhuǎn)換寄存器和串并轉(zhuǎn)換寄存器的并入、移位、保持、清零操作。停止信號為1時,結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 接口芯片的工作原理與控制過程

8051向控制寄存器CI0寫控制字,實現(xiàn)對I2C接口的編程控制;向數(shù)據(jù)寄存器CI1寫數(shù)據(jù),實現(xiàn)對I2C接口的數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)bz=1時,8051才對數(shù)據(jù)寄存器讀寫,而每次讀寫后接口電路自動將bz置0,在接口電路完成有關(guān)操作等待8051的讀寫時將bz置1。

(1)I2C總線未連接,要進行寫操作。8051的操作:

①寫控制字W1;②當(dāng)bz=1時寫器件內(nèi)地址第1字節(jié);③當(dāng)bz=1時寫器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時寫第1字節(jié)…。

I2C的操作:

當(dāng)接收到該控制字W1后操作為:①置bz=1,啟動I2C總線;②根據(jù)控制字中的器件地址發(fā)出第1個字節(jié)(器件選擇、寫);③發(fā)送器件內(nèi)地址,置bz=1;④發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容,置bz=1…。

(2)I2C總線未連接,要進行讀操作。8051的操作:

①電路寫控制字W2;②寫器件內(nèi)地址第1字節(jié); ③當(dāng)bz=1時寫器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時讀第1字節(jié)…。

I2C的操作:

當(dāng)接收到該控制字W2后操作為:①置bz=1,啟動I2C總線;②根據(jù)控制字中的器件地址以出第1個字節(jié)(器件選擇、寫);③發(fā)送器件內(nèi)地址;④關(guān)閉I2C總線;⑤啟動I2C總線;⑥第2次發(fā)送器件選擇字節(jié)、讀;⑦接收數(shù)據(jù)內(nèi)容,置bz=1…。

(3)I2C總線已連接,換一個I2C器件或換新地址,要進行寫操作。

8051的操作:

①寫控制字W5;②當(dāng)bz=1時寫器件內(nèi)地址第1字節(jié);③當(dāng)bz=1時寫器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時寫第1字節(jié)…。

I2C的操作:

當(dāng)接收到該控制字W5后操作為:①置bz=1,關(guān)閉I2C總線;②啟動I2C總線;③根據(jù)控制字中的器件地址發(fā)出第1個字節(jié)(器件選擇、寫);④發(fā)送器件內(nèi)地址,置bz=1。

(4)I2C總線已連接,換一個I2C器件或換新地址,要進行讀操作。

8051的操作:

①電路寫控制字W6;②寫器件內(nèi)地址第1字節(jié); ③當(dāng)bz=1時寫器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時讀第1字節(jié)…。

I2C的操作:

當(dāng)接收到該控制字W6后操作為:①置bz=1,關(guān)閉I2C總線;②啟動I2C總線;③根據(jù)控制字中的器件地址發(fā)出第1個字節(jié)(器件選擇、寫);④發(fā)送器件內(nèi)地址;⑤關(guān)閉I2C總線;⑥啟動I2C總線;⑦第2次發(fā)送器件選擇字節(jié)、讀;⑧接收數(shù)據(jù)內(nèi)容,置bz=1…。

4 結(jié) 語

擴展接口芯片設(shè)計采用VHDL語言實現(xiàn),芯片設(shè)計的全部程序均通過ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件編譯,仿真結(jié)果正確。編譯、仿真后的VHDL 程序經(jīng)下載線下載至EPM7128SLC84-15芯片,驗證正確。設(shè)計的接口時鐘要求6 MHz,可直接和單片機接口連接。

擴展后的接口,傳送一位數(shù)據(jù)只需要4個時鐘周期。擴展的接口,訪問I2C器件的時鐘可以自行設(shè)定,他們之間的通信不需要等待8051。一旦8051的并行數(shù)據(jù)送出,該接口可立即用自己設(shè)定的速度傳送。從而該接口在8051和I2C器件之間通信時,數(shù)據(jù)的傳送可達到并行的速度,這就是本接口擴展設(shè)計的最大優(yōu)點。

由于使用的設(shè)計軟件是ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件,下載仿真芯片為EPM7128SLC84該芯片延遲時間為15 s,延時時間過長;接口的設(shè)計本身對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘也可進一步減少,更進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。基于以上兩點,還需要對本設(shè)計進一步優(yōu)化,以期進一步提高性能與速度。

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