基于I2C總線應(yīng)用呼喚平臺模式實現(xiàn)VIIC1.0軟件包的設(shè)計

一、I2C總線及其虛擬應(yīng)用

1. I2C總線應(yīng)用呼喚平臺模式

目前，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展已從并行方式為主過渡到以串行方式為主的時代。許多新型外圍器件都帶有串行擴(kuò)展接口。通常的串行擴(kuò)展接口和串行擴(kuò)展總線有UART的移位寄存器方式、MOTOROLA公司的SPI、NS公司的Microwire、Dallas公司的1Wire和Philips公司的I2C總線等。其中，I2C總線提供了較完善的總線協(xié)議、最簡單的串行連接方式，并提供了總線操作的狀態(tài)處理軟件包，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但廠家并未提供完善的平臺模式應(yīng)用軟件包。因此，用戶在擴(kuò)展I2C總線外圍器件時，還要在了解I2C總線協(xié)議、操作原理的基礎(chǔ)上，采用直接方式進(jìn)行I2C總線外圍器件的應(yīng)用程序設(shè)計。迄今為止，許多期刊的文章中還是以這種方式來介紹I2C總線的擴(kuò)展應(yīng)用。由于I2C總線協(xié)議的復(fù)雜性和操作管理的特殊性，從I2C總線結(jié)構(gòu)原理到I2C總線應(yīng)用的直接設(shè)計方式難度較大，使I2C總線推廣應(yīng)用較慢。因此，迫切呼喚推出I2C總線的應(yīng)用軟件平臺，使人們不必了解I2C總線就能設(shè)計I2C總線應(yīng)用程序。

2. 廣泛使用的主工作方式

I2C總線是1個十分完善的多主系統(tǒng)總線，總線上可以掛接多個MCU，因此有4種工作方式，即主發(fā)送、主接收、從發(fā)送、從接收。但實際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)絕大多數(shù)都是單個MCU系統(tǒng)，只用到I2C總線的主方式，即主發(fā)送與主接收。

3. 虛擬I2C總線的廣泛需求

目前，有許多外圍器件帶有I2C總線接口，然而，帶有I2C總線接口的MCU只有少數(shù)廠家的個別型號，致使I2C總線難以推廣。因此，人們便使用MCU通用的I/O口來虛擬I2C總線接口。早期東芝公司在彩電中就在自己的MCU中虛擬I2C總線接口，實現(xiàn)I2C總線外圍器件擴(kuò)展的虛擬應(yīng)用。

采用虛擬I2C總線后，任何1個廠家的單片機(jī)都可以無障礙地使用I2C總線外圍器件。同樣，虛擬I2C總線的應(yīng)用也呼喚平臺模式。

二、VIIC1.0軟件包設(shè)計

VIIC1.0是物化形式為軟件包文檔的廣義平臺，適合在80C51單片機(jī)系列單主系統(tǒng)中應(yīng)用。

按照廣義平臺設(shè)計內(nèi)容，VIIC有最佳包容性設(shè)計、后歸一化設(shè)計、前歸一化設(shè)計、物化設(shè)計和應(yīng)用界面設(shè)計。

1.最佳包容性設(shè)計

最佳包容性設(shè)計是廣義平臺適用范圍的最佳選擇性設(shè)計。完整的I2C總線有4種操作方式，并且有指定的端口，有地址寄存器（S1ADR）來設(shè)定MCU的地址。在VIIC的包容性設(shè)計中規(guī)定為主方式下的通用I/O口虛擬。規(guī)定為主方式后，避免了多主方式下極大難度的總線沖突仲裁處理程序設(shè)計，又保證了能滿足絕大多數(shù)I2C總線擴(kuò)展應(yīng)用。采用通用I/O口的虛擬，使用戶可隨意規(guī)定虛擬I2C總線端口，擴(kuò)大了虛擬I2C總線應(yīng)用的靈活性。

2.后歸一化設(shè)計

后歸一化設(shè)計是確定應(yīng)用范圍的相關(guān)設(shè)計。VIIC的后歸一化設(shè)計有：

（1）應(yīng)用范圍指定為帶I2C總線的外圍器件擴(kuò)展；

（2）所有I2C總線外圍器件的操作方式歸一化為外圍器件N個字節(jié)的讀寫操作；

（3）總線節(jié)點通信方式歸一化為SLAW/SLAR節(jié)點尋址后的點對點的讀寫操作。

3.前歸一化設(shè)計

前歸一化設(shè)計是從I2C總線協(xié)議原理、操作方式、時序規(guī)則出發(fā)，實現(xiàn)后歸一要求的設(shè)計。VIIC的前歸一化設(shè)計有：

（1）時序的指令模擬即模擬I2C總線操作時序。I2C總線操作的典型時序信號有起始位（STAR）、停止位（STOP）、發(fā)送應(yīng)答位（MACK）、發(fā)送非應(yīng)答位（MNACK）。

（2）數(shù)據(jù)傳送操作虛擬即模擬I2C數(shù)據(jù)傳送過程。例如，應(yīng)答位檢查（CACK）、發(fā)送1個字節(jié)數(shù)據(jù)（WRBYT）、接收1個字節(jié)數(shù)據(jù)（RDBYT）。

（3）外圍器件讀寫操作虛擬。要求虛擬1個I２C總線讀寫操作過程（RDNBYT、WRNBYT）。

4.VIIC1.0的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1） VIIC1.0的組成。根據(jù)歸一化設(shè)計，主方式下虛擬I２C總線由下列9個子程序組成： · 時序模擬子程序STAR，STOP，MACK，MNACK； · 操作模擬子程序CACK，WRBYT，RDBYT； · 數(shù)據(jù)讀寫子程序RDNBYT，WRNBYT。由于篇幅所限，本文中省略了VIIC1.0軟件包中這9個子程序的虛擬設(shè)計方法。需要詳細(xì)了解的讀者可參看文尾參考資料2中7.3節(jié)“I2C總線的串行擴(kuò)展技術(shù)”的有關(guān)部分。

（2）軟件包的出口界面軟件包VIIC實現(xiàn)非介入性操作，出口界面是軟件包應(yīng)用時惟一的觸及面。VIIC1.0中的出口界面為數(shù)據(jù)讀寫子程序 RDNBYT/WRNBYT。

（3）軟件包的符號單元 VIIC中的符號標(biāo)記有發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)MTD、接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)MRD、傳送字節(jié)數(shù)存放單元NUMBYT以及尋址字節(jié)SLAW/SLAR存放單元SLA。這些符號單元都采用了標(biāo)準(zhǔn)I2C總線狀態(tài)處理軟件包中規(guī)定的字符標(biāo)記。

5.應(yīng)用界面設(shè)計

VIIC1.0軟件包規(guī)定了讀寫子程序RDNBYT/WRNBYT的惟一出口界面，因此RDNBYT/WRNBYT的調(diào)用操作命令，以及滿足調(diào)用操作的初始化操作的三條命令為VIIC的應(yīng)用界面，即：

MOV SLA，#SLAR/SLAW ；總線上節(jié)點尋址并確定傳送方向

MOV NUMBYT，#N ；確定傳送字節(jié)數(shù)N

LCALL RDNBYT/WRNBYT ；讀/寫操作調(diào)用

三、VIIC1.0軟件包清單

VIIC1.0軟件包清單如下。

①STAR：SETB VSDA；啟動I２Ｃ總線

SETB VSCL

NOP

CLR VSDA

NOP

CLR VSCL

RET

②STOP： CLR VSDA ；停止I２Ｃ總線數(shù)據(jù)傳送

SETB VSCL

NOP

SETB VSDA

NOP

CLR VSDA

CLR VSCL

RET

③MACK： CLR VSDA ；發(fā)送應(yīng)答位

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

SETB VSDA

RET

④MNACK： SETB VSDA ；發(fā)送非應(yīng)答位

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

CLR VSDA

RET

⑤CACK： SETB VSDA ；應(yīng)答位檢查

SETB VSCL

CLR F0

MOV C，VSDA

JNC CEND

SETB F0 CEND： CLR VSCL

RET

⑥WRBYT： MOV R0，#08H ；向VSDA線上發(fā)送1個數(shù) ;據(jù)字節(jié) WLP： RLC A

JC WR1

AJMP WR0 WLP1： DJNZ R0，WLP

RET WR1： SETB VSDA

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

CLR VSDA

AJMP WLP1 WR0： CLR VSDA

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

AJMP WLP1

⑦RDBYT： MOV R0，#08H ；從VSDA線上讀取1個數(shù) ;據(jù)字節(jié) RLP： SETB VSDA

SETB VSCL

MOV C，VSDA

MOV A，R2

RLC A

MOV R2，A

CLR VSCL

DJNZ R0，RLP

RET

⑧WRNBYT： MOV R3，NUMBYT ；虛擬I2C總線發(fā)送N個 ;字節(jié)數(shù)據(jù)

LCALL STA

MOV A，SLA

LCALL WRBYT

LCALL CACK

JB F0，WRNBYT

MOV R1，#MTD WRDA： MOV A，@R1

LCALL WRBYT

LCALL CACK

JB F0，WRNBYT

INC R1

DJNZ R3，WRDA

LCALL STOP

RET ⑨RDNBYT： MOV R3， NUMBYT ；模擬I２Ｃ總線接收n個 ;字節(jié)數(shù)據(jù)

LCALL STA

MOV A，SLA

LCALL WRBYT

LCALL CACK

JB F0，RDNBTY RDN： MOV R1，#MRD RDN1： LCALL RDBYT

MOV @R1，A

DJNZ R3，ACK

LCALL MNACK

LCALL STOP

RET ACK： LCALL MACK

INC R1

SJMP RDN1

四、VIIC1.0應(yīng)用指南

1.適用范圍

VIIC1.0適用于80C51系列單主系統(tǒng)中I2C總線外圍器件擴(kuò)展的應(yīng)用程序設(shè)計。由于時序模擬基于6MHz時鐘設(shè)計，在高速時鐘下，可適當(dāng)增加時序模擬子程序中的空操作指令。

2. 資源占用

VIIC使用了R0，R1，R2，R3，F(xiàn)0，C等資源。

3.符號單元

PVIIC中有許多符號標(biāo)記，這些符號標(biāo)記有：

VSDA 虛擬I2C總線數(shù)據(jù)線；

VSCL虛擬I2C總線時鐘線；

SLA尋址字節(jié)存放單元；

NUMBYT傳送字節(jié)數(shù)存放單元；

MTD發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

MRD接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

4.歸一化操作命令

不論總線上擴(kuò)展什么外圍器件，都只須使用以下三條指令：

MOV SLA，#SLAW/SLAR

MOVNUMBYT，#N

LCALLWRNBYT/RDNBYT

5.VIIC的裝載

由于WRNBYT/RDNBYT都使用長調(diào)用命令LCALL，故VIIC1.0可放在程序存儲器的任意空間。圖1

6.通用的應(yīng)用界面

VIIC1.0的應(yīng)用界面如圖1所示。與VIIC1.0有關(guān)的只是3條歸一化操作命令；與硬件電路相關(guān)的是器件地址與引腳地址構(gòu)成的尋址字節(jié)和由器件規(guī)定的數(shù)據(jù)操作格式。

基于I2C總線應(yīng)用呼喚平臺模式實現(xiàn)VIIC1.0軟件包的設(shè)計

五、VIIC1.0應(yīng)用示例

在本文參考文獻(xiàn)２中給出了一些基于VIIC軟件包的外圍串行擴(kuò)展應(yīng)用實例?，F(xiàn)就帶I2C總線接口LED顯示驅(qū)動器SAA1064擴(kuò)展8位LED顯示電路來示范VIIC1.0的應(yīng)用。

1.硬件電路與尋址字節(jié)

用2片SAA1064擴(kuò)展的8位LED顯示電路如圖2（b）所示，圖2（a）為SAA的引腳排列圖。設(shè)80C51用P1.1/P1.0來虛擬SDA/SCL口線。兩片SAA1064的ADR引腳分別接地和VCC。SAA1064（1）、（2）的器件地址為0111，引腳地址為000和111，因此它們的尋址字節(jié)SLAW/SLAR分別為70H/71H和76H/77H。

2.顯示原理與數(shù)據(jù)操作格式

在I2C總線外圍器件的數(shù)據(jù)手冊中，都給出了實現(xiàn)器件功能的數(shù)據(jù)操作格式，以及實現(xiàn)功能的控制命令與寄存器的管理模式。（1） SAA1064的數(shù)據(jù)操作格式 80C51只須對SAA1064進(jìn)行寫操作，便實現(xiàn)了LED的顯示驅(qū)動控制。SAA1064的寫數(shù)據(jù)操作格式如下：

只須對SAA1064中首地址為SUBADR的5個寄存器單元中依次寫入控制命令COM和4個LED共陰極段碼datal～data4，SAA1064的SUBADR=00H。

控制命令COM格式及位功能規(guī)定如下：

C0 靜、動態(tài)顯示選擇。C0=1，動態(tài)顯示。

C1 顯示位1，3暗亮選擇。C1=1，選擇亮。

C2 顯示位2，4暗亮選擇。C2=1，選擇亮。

C3 測試位。C3=1，所有段點亮。

C4，C5，C6 驅(qū)動電流控制位。C4，C5，C6為 “1”時，驅(qū)動電流分別為3mA，6mA，12mA；皆為1時輸出驅(qū)動電流最大，達(dá)21mA。

3.應(yīng)用程序設(shè)計

按下列步驟完成圖2（b）的8位LED顯示程序設(shè)計。

（1）將VIIC1.0裝入程序存儲器中。

（2）根據(jù)硬件電路及資源分配，將VIIC1.0中的符號單元賦值如下：

VSDA EQU P1.1 ；用P1.1虛擬SDA

VSCL EQU P1.0 ；用P1.0虛擬SCL

SLA EQU 50H ；50H為尋址字節(jié)存放單元

NUMBYT EQU 51H ；51H為傳送字節(jié)數(shù)據(jù)存放單元

MTD EQU 30H ；30H為發(fā)送緩沖區(qū)首地址

（3） 8位LED顯示子程序設(shè)計

這里介紹1個在圖2（b）LED顯示器上顯示“bUAA0706”固定字符的子程序。

根據(jù)SAA1064的數(shù)據(jù)操作格式，點亮4個LED只須依首地址SUBADR順序送入控制命令COM和4個LED共陰極段選碼data1～data4。

設(shè)LED驅(qū)動電流為18 mA（C6，C5為高電平；C4為低電平）動態(tài)顯示要求（C2，C1，C0為高電平）故COM=67H。SAA1064（1）顯示“0706”的段碼依次是7DH，3FH，07H，3FH；SAA1064（2）顯示“bUAA”的段碼依次為77H，77H，3EH，7CH。因此，SAA1064（1），（2）的數(shù)據(jù)操作格式具體化為