單片機的I2C總線擴展和I2C虛擬技術

1 I2C總線的基本概念及一般特征

在單片機應用系統中，要處理的數據不僅很多，而且很重要時，通常的做法是用并行口擴展單片機外部數據存儲器芯片。近年來，隨著半導體技術的不斷發展，陸續出現了一些新的數據要求非常嚴格的芯片，比較典型的有基于I2C總線接口的24系列，基于SPI總線的25系列，以及并行總線接口的28系列，29系列，這些芯片的特點是芯片掉電后數據不會丟失，數據可以保存幾年、甚至幾十年，這些芯片采用I2C、SPI或Microwire串行總線協議，與單片機接口通常僅占用2～4個I/O口，可以最大限度地節省單片機的資源，并且數據可以反復擦寫。

I2C總線采用二線傳輸，即SDA串行數據線和SCL串行時鐘，在總線上擴展的外圍器件及外圍設備接口通過總線尋址，圖2為I2C總線構成的輸入/輸出、顯示、ADC/DAC以及鍵盤、顯示電路。在SDA和SCL上掛接單片機CUP和外圍器件(如I/O、ADC、DAC、存儲器)和外設接口(如鍵盤、顯示器、打印機等)，所有掛接在I2C總線上的器件和接口電路都應具有I2C總線接口，將所有的SDA/SCL同名端相連。

I2C總線為同步串行數據傳輸總線，其總線傳輸速率為100 KB/s，改進后為400 KB/s，總線驅動能力為400 PF，通過驅動擴展可達4 000 PF，在圖1中只表示I2C總線上外圍擴展的節點，其總線的節點的尋址方法為，確定總線上的主節點(主控器件)，在任何時刻總線上只有一個主節點(一個主控器件)，實現總線的控制操作，由主控器對總線上的其他節點尋址，分時實現點對點的數據傳輸。因此總線上每個節點都有一個固定的節點地址。I2C總線每次傳送數據，都是由主器件發送起始信號開始，送停止信號結束，當SCL時鐘線為高電平時，SDA出現由高到低的下降沿，即總線的起始信號，相反，當SDA出現上升沿時為結束信號，在起始信號和停止信號之間是尋址信息和數據信息，圖2為I2C的操作時序。

I2C總線上的單片機都可作為主節點，其器件地址由軟件給出。存放在I2C總線的地址寄存器，稱為主器件的從地址。器件地址由7位組成和一個方向位構成尋址字節SLA，尋址字節格式如下：

DA3～DA0為器件地址，由器件出廠時給定的固定地址編碼；A2～A0為器件在電路中接電源或地的不同，形成的地址數據；R/W——數據傳輸方向，規定總線上主節點對從節點的數據傳輸方向，R——接收，W——發送。表1為常用外圍器件的節點地址。

2 單主系統的I2C總線的虛擬技術

在單主系統中，I2C總線上只有一個單片機，由于總線上只有一個單片機成為主節點，在這種情況下，對于沒有I2C總線的單片機，可以用兩根I/O線來虛擬I2C總線接口，在采用虛擬串行擴展接口時，可根據系統的資源情況選用具體的I/O口線，可以設計出各種類型接口的虛擬軟件包，只要安裝軟件包和定義相應的I/O端口，使用極其靈活方便，這種方式稱為單主方式I2C總線虛擬(簡稱主方式)。

2.1 單主方式下的數據操作格式

2.1.1 主發送的數據操作格式

主節點向由尋址字節指令的外圍器件節點發送N個字節數據，整個數據傳送過程中數據的傳送方向不變，操作格式如下：

其中S.SLAW、data1～N、P～為主節點發送，從節點接收；A～主節點接收，從節點發送；SLAW～尋址字節(寫)；data1～dataN：寫入從節點的N個數據。

(2) 主接收的數據操作格式

主節點要求被尋址的從節點(外圍器件)發送N個字節數據。數據操作格式如下：

2.1.2 主方式下的虛擬I2C總線軟件包

在使用虛擬I2C總線時，有一個通用的主方式I2C軟件包，并在此基礎上給出歸一化操作命令。即在使用I2C虛擬總線時，只要在程序存儲器的任一空間，裝入通用軟件包作為I2C總線應用程序設計的軟件支持。在應用中只須將軟件包中標記賦值即可。

這些標記符有：

VSDA～虛擬I2C總線數據線；VSCL～虛擬I2C總線時鐘線；SLA～尋址字節存放單元；SLAW～尋址字節寫；SLAW～尋址字節讀；NUMBYT～傳送字節數據存放單元；MTD～發送數據緩沖區；MRD～接收數據緩沖區。

在程序中嵌入了通用I2C軟件包并進行標號賦值后，歸一化的操作命令有三條：

MOV SLA，#SLAW/#SLAR；指向那個節點，并認定發送(SLAW)還是接收(SLAR)；MOV NUMBYT，#N；傳送幾個字節；LCALL WRNBYT/RDNBYT；調用接收或發送子程序。

以圖1為例，假定在嵌入了通用I2C軟件包的情況下，使用主方式的I2C虛擬技術，標記符的偽定義為：