单片机的I2C总线扩展和I2C虚拟技术

1  I2C总线的基本概念及一般特征?

在单片机应用系统中，要处理的数据不仅很多，而且很重要时，通常的做法是用并行口扩展单片机外部数据存储器芯片。近年来，随着半导体技术的不断发展，陆续出现了一些新的数据要求非常严格的芯片，比较典型的有基于I2C总线接口的24系列，基于SPI总线的25系列，以及并行总线接口的28系列，29系列，这些芯片的特点是芯片掉电后数据不会丢失，数据可以保存几年、甚至几十年，这些芯片采用I2C、SPI或Microwire串行总线协议，与单片机接口通常仅占用2～4个I/O口，可以最大限度地节省单片机的资源，并且数据可以反复擦写。

I2C总线采用二线传输，即SDA串行数据线和SCL串行时钟，在总线上扩展的外围器件及外围设备接口通过总线寻址，图2为I2C总线构成的输入/输出、显示、ADC/DAC以及键盘、显示电路。在SDA和SCL上挂接单片机CUP和外围器件(如I/O、ADC、DAC、存储器)和外设接口(如键盘、显示器、打印机等)，所有挂接在I2C总线上的器件和接口电路都应具有I2C总线接口，将所有的SDA/SCL同名端相连。?

I2C总线为同步串行数据传输总线，其总线传输速率为100 KB/s，改进后为400 KB/s，总线驱动能力为400 PF，通过驱动扩展可达4 000 PF，在图1中只表示I2C总线上外围扩展的节点，其总线的节点的寻址方法为，确定总线上的主节点(主控器件)，在任何时刻总线上只有一个主节点(一个主控器件)，实现总线的控制操作，由主控器对总线上的其他节点寻址，分时实现点对点的数据传输。因此总线上每个节点都有一个固定的节点地址。I2C总线每次传送数据，都是由主器件发送起始信号开始，送停止信号结束，当SCL时钟线为高电平时，SDA出现由高到低的下降沿，即总线的起始信号，相反，当SDA出现上升沿时为结束信号，在起始信号和停止信号之间是寻址信息和数据信息，图2为I2C的操作时序。

I2C总线上的单片机都可作为主节点，其器件地址由软件给出。存放在I2C总线的地址寄存器，称为主器件的从地址。器件地址由7位组成和一个方向位构成寻址字节SLA，寻址字节格式如下：?

DA3～DA0为器件地址，由器件出厂时给定的固定地址编码；A2～A0为器件在电路中接电源或地的不同，形成的地址数据；R/W——数据传输方向，规定总线上主节点对从节点的数据传输方向，R——接收，W——发送。表1为常用外围器件的节点地址。

2  单主系统的I2C总线的虚拟技术?

在单主系统中，I2C总线上只有一个单片机，由于总线上只有一个单片机成为主节点，在这种情况下，对于没有I2C总线的单片机，可以用两根I/O线来虚拟I2C总线接口，在采用虚拟串行扩展接口时，可根据系统的资源情况选用具体的I/O口线，可以设计出各种类型接口的虚拟软件包，只要安装软件包和定义相应的I/O端口，使用极其灵活方便，这种方式称为单主方式I?2C总线虚拟(简称主方式)。?

2.1  单主方式下的数据操作格式?

2.1.1  主发送的数据操作格式?

主节点向由寻址字节指令的外围器件节点发送N个字节数据，整个数据传送过程中数据的传送方向不变，操作格式如下：?

其中S.SLAW、data1～N、P～为主节点发送，从节点接收；A～主节点接收，从节点发送；SLAW～寻址字节(写)；data1～dataN：写入从节点的N个数据。?

(2) 主接收的数据操作格式?

主节点要求被寻址的从节点(外围器件)发送N个字节数据。数据操作格式如下：?

2.1.2  主方式下的虚拟I2C总线软件包?

在使用虚拟I2C总线时，有一个通用的主方式I2C软件包，并在此基础上给出归一化操作命令。即在使用I2C虚拟总线时，只要在程序存储器的任一空间，装入通用软件包作为I2C总线应用程序设计的软件支持。在应用中只须将软件包中标记赋值即可。?

这些标记符有：

VSDA～虚拟I2C总线数据线；VSCL～虚拟I2C总线时钟线；SLA～寻址字节存放单元；SLAW～寻址字节写；SLAW～寻址字节读；NUMBYT～传送字节数据存放单元；MTD～发送数据缓冲区；MRD～接收数据缓冲区。?

在程序中嵌入了通用I2C软件包并进行标号赋值后，归一化的操作命令有三条：

MOV SLA，#SLAW/#SLAR；指向那个节点，并认定发送(SLAW)还是接收(SLAR)；MOV NUMBYT，#N；传送几个字节；LCALL WRNBYT/RDNBYT；调用接收或发送子程序。?

以图1为例，假定在嵌入了通用I2C软件包的情况下，使用主方式的I2C虚拟技术，标记符的伪定义为：?