I2C总线串行接口应用设计
来源:互联网 发布:精益数据分析 pdf 编辑:程序博客网 时间:2024/04/28 04:38
图15-2(a)显示了I2C总线上的数据稳定规则,SCL为高电平时SDA上的数据保持稳定,SCL为低电平时允许SDA变化。如果SCL处于高电平时,SDA上产生下降沿,则认为是起始位,SDA上的上升沿认为是停止位。通信速率分为常规模式(时钟频率100kHz)和快速模式(时钟频率400kHz)。同一总线上可以连接多个带有I2C接口的器件,每个器件都有一个唯一的地址,既可以是单接收的器件,也可以是能够接收发送的器件。
图15-2(b)显示了I2C总线的起始位和停止位。
每次数据传输都是以一个起始位开始,而以停止位结束。传输的字节数由ARM控制和决定,没有限制。最高有效位将首先被传输,接收方收到第8位数据后会发出应答位。数据传输通常分为两种:主设备发送从设备接收和从设备发送主设备接收。这两种模式都需要主机发送起始位和停止位,应答位由接收方产生。从设备地址一般是1或2个字节,用于区分连接在同一I2C上的不同器件。
3 I2C硬件电路设计
3.1 I2C串口存储器
在嵌入式系统中会用到各种带I2C接口的芯片,这里以I2C串口存储器CSl24WC256为例,说明I2C电路在ARM嵌入式系统中的应用。
CSl24WC256是美国CAllALXST公司的一款芯片,是一个256K位支持I2c总线数据传送协议的串行CMOS串口存储器,可用电擦除,可编程自定时写周期(包括自动擦除时间不超过10ms,典型时间为5ms),具有64字节数据的页面写能力。串行存储器一般具有两种写入方式,一种是字节写入方式,另一种是页写入方式。允许在一个写周期内同时对1个字节到一页的若干字节的编程写入,1页的大小取决于芯片内页寄存器的大小。
先进的CMOS技术实质上降低了器件的功耗,可在电源电压低到1.8V的条件下工作,等待电流和额定电流分别为0和3mA,特有的噪声保护施密特触发输入技术,可保证芯片在极强的干扰下数据不丢失。
芯片管脚排列图如图15-3所示,其管脚功能描述如表15-l所示。
其中:
·SCL:串行时钟。输入管脚,用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。
·SDA:串行数据/地址。双向传输端,用于传送地址和所有数据的发送或接收。它是一个漏极开路端,因此要求接一个上拉电到Vcc端(典型值为100kHz时为10K,400kHz时为lK)。对于一般的数据传输,仅在SCL为低期间SDA才允许变化;在SCL为高期间变化,留给指示Start(开始)和Stop(停止)条件。
·AO/A1/A2:器件地址输入端。这些输入端用于多个器件级联时设置器件地址,当这些脚悬空时默认值为空。
·WP:写保护。如果WP管脚连接到Vcc,则所有的内容都被写保护(只能读):当 WP管脚连接到Vss或悬空时,则允许器件进行正常的读/写操作。
3.2电路原理图
如图15-4所示为串行存储器电路原理图,具有串行存储的功能,速率为100kHz,所R2/R3为IOK。如果将编码开关任一位打开,则对应的地址线为“l”;如果将编码开关任一位闭合则对应的地址线就为“0”。
4软件设计
4.1 I2C读写过程设计
ARM在系统中一直作为主设备,所以在I2C总线中只有主发送和主接收两种操作方式。在系统初始化时,由指令控制CPU送出相关的数据,经接口送到I2C寄存器内。通过初始化这些寄存器,可以实现I2C总线的主模式控制,以及实现I2C总线上的从设备读写。
当主设备和其中的一个从设备交换数据时,主设备首先发出一个启动Start信号,这个信号被所有的从设备接收。即从设备准备接收CPU的信号,然后主设备再发出它要通信的从设备地址。接下来,所有的从设备将收到的这个地址和它们自己的地址进行比较。
如果收到的地址和它们自己的地址不同,则什么都不做,只是等待主设备发出停止stop信号;如果收到的地址和它自己的地址相同,它就发出一个信号给主设备,这个信号称为应答Acknowledge信号。当主设备收到应答信号后,它就开始向从设备发送数据或者从从设备接收数据。当所有操作都进行完毕时,主设备发出一个Stop信号,通信完毕,释放I2C总线;然后所有的从设备都等待下一次Start信号的到来。
1.写过程
(1)上电后等待一个延时(1ms)。
(2)器件寻址,给一个起始信号(SCL为高电平时SDA给一个下降沿)。发送从器件地址,高5位为10110,然后根据A1/A0(如果和器件的地址相同则那个器件会应答)进行读/写控制(O为读)。
(3)应答,器件在SCL的第9个周期时SDA给出一个低电平,作为应答信号。
(4)开始写有两种模式:字节写模式和页写模式。
·字节模式:给出A15~A8应答,给出A7~A0应答;然后给出DATA和停止信号 (SCL为高电平时,SDA给出一个上升沿),接着要等待一个擦写时间。
·页写模式:给出地址以后连续给出64个数据。如果多于64个数据,则地址计数器自动翻转。(如果少于64昵,估计是没有问题的,但是需要实验验证。)
(5)判断擦写操作是否完毕的一个方法(应答查询),如果器件还处于擦写状态,则不会应答器件寻址;如果有应答,则说明擦写完毕。
2.读过程
(1)上电以后等待一个延时(lms)。
(2)器件寻址。
(3)应答。
(4)开始读有三种模式:立即当前地址读、选择/随机读、连续读。
·立即当前地址读:如果上次读/写的操作地址为N,则现在是N+1。不需要ACK,但是需要Stop信号。
·选择/随机读:先伪写(用于给出一个地址),然后再次启动,读取数据。
·连续读:读取一个以后给一个应答,这样器件会再给出下一个地址的数据内容。
(5)开始数据传输Start后、停止数据传输Stop前,SCL高电平期间,SDA上为有效数据。
4.2程序代码说明
以下是I2C函数的程序代码,其中DataBuff为读写数据输入/输出缓冲区的首址,ByteQuantity为要读写数据的字节数量,Address为I2C串口存储器片内地址,ControlByte为I2C串口存储器的控制字节,具体形式为(1)(0)(1)(O)(A2)(A1)(A0)(E/W)。
其中R/W=1表示读操作,R/W=0为写操作。ERRORCOUNT为允许最大次数,若出现ERRORCOUNT次操作失效,则函数中止操作,并返回1。SDA和SCL由用户自定义。
此程序设计时考虑了通用性,与ARM CPU无关,与ARM速度也无关。时序的等待时间严格按照芯片文档上描述的,定义在I2C.h文件中。
使用时只需要定义SCL和SDL的引脚,以及I2C使用的电压(修改ⅡC_v宏定义)。
5实例总结
I2C总线硬件电路结构简单,符合系统设计向小型化低功耗方向发展的趋势。在其软件方面,由于使用平台模式的ⅡC软件包,保证了在较短的时间内开发出高稳定性的驱动程序。同一总线上可以连接多个带有I2C接口的器件,每个器件都有一个惟一的地址,既可以是单接收的器件,也可以是能够接收发送的器件。发送器或接收器可以在主模式或从模式下操作,这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。
本章以I2C串口存储器为例,给出了在ARM平台中I2C总线的软硬件实现方法,软件设计上I2C总线读和写模块的函数流程图,以及具体驱动程序的设计。实验证明,I2C总线能很好地扩展ARM系统的I/O交互能力。在设计I2C串口存储器时需注意以下几点问题。
·SCL不能太快,这只要限制高低电平的时间就可以了。
·Start信号需要建立和保持一段时间。
·Stop信号需要一定的建立时间,之后就是总线空闲时间。
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