宣 慧，孫佳昊，程 實，蔡艷婧，胡傳志

（1. 通富微電子股份有限公司，江蘇 南通 226000；2. 江蘇大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3. 南通大學(xué) 江蘇省專用集成電路設(shè)計重點實驗室，江蘇 南通 226000；4. 南通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226000；5. 江蘇商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息學(xué)院，江蘇 南通 226000）

I2C（inter-integrated circuit）總線，主要用于電路板內(nèi)集成電路之間的連接，是由PHILIPS 公司開發(fā)的一種同步串行總線協(xié)議。I2C 總線因為協(xié)議成熟、引腳簡單、傳輸速率高，已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被大多數(shù)的芯片廠家采用。嵌入式系統(tǒng)中常用該總線來連接存儲器[1-3]、傳感器[4-5]和交互設(shè)備[6-7]等，因此I2C 總線實驗就成了嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)中極重要的一個環(huán)節(jié)。I2C 總線編程要點在于掌握I2C 總線的數(shù)據(jù)幀格式，本文以TI 公司的TM4C123GH6PM 微控制器通過 I2C 總線接口讀寫 LM75A 溫度傳感器為例，以TivaWare 函數(shù)庫中的I2C 總線API 函數(shù)為工具，研究I2C 總線的實驗設(shè)計方法

1 I2C 總線概述

1.1 I2C 總線特征

為了使硬件效益最大和電路最簡單，PHILIPS 公司開發(fā)了一個簡單的雙向兩線總線，實現(xiàn)有效的 IC之間控制，該總線稱為Inter IC 或I2C 總線[8]，具有以下一些顯著特征。

（1）只要求兩條總線線路。一條串行數(shù)據(jù)線SDA，一條串行時鐘線SCL。

（2）對各器件的尋址是軟尋址方式，因此節(jié)點上沒有必需的片選線[9]。

（3）是一個真正的多主機(jī)總線，帶有沖突檢測和仲裁，防止多個主機(jī)同時開始數(shù)據(jù)傳輸時破壞數(shù)據(jù)。

（4）串行的8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸，位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kbit/s，快速模式下可達(dá)400 kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4 Mbit/s。

1.2 I2C 總線上的設(shè)備

I2C 總線上的設(shè)備分為主機(jī)（也稱為主控器）和從機(jī)（也成為被控器），主機(jī)和從機(jī)都既可以是數(shù)據(jù)的發(fā)送方，也可以是數(shù)據(jù)的接收方。主機(jī)提供時鐘信號，對總線時序進(jìn)行控制，一般由微控制器擔(dān)任主機(jī)；總線上除主機(jī)外的其他設(shè)備都是從機(jī)，一般來說是外圍器件。主機(jī)通過從機(jī)地址訪問從機(jī)，從機(jī)之間無法通信，任何數(shù)據(jù)傳輸都必須通過主機(jī)進(jìn)行。在標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線中，從機(jī)地址被定義為7 位，擴(kuò)展I2C 總線允許10 位從機(jī)地址。

1.3 I2C 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某一I2C 總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過沖突檢測，主機(jī)1 在查看總線空閑的情況下（即主機(jī)2 不在使用總線），發(fā)送一個開始信號，啟動一次數(shù)據(jù)傳輸，先對從機(jī)尋址，再在總線上傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，每傳送一個字節(jié)后都必須跟一個應(yīng)答位，由接收方回答，所以I2C 總線上的數(shù)據(jù)幀為8 加1 的格式。

圖1 某一I2C 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 I2C 總線上的信號類型

I2C 總線上的信號類型有以下5 個：

（1）開始信號（START），由主機(jī)產(chǎn)生，用來建立通信，從此總線將處于忙狀態(tài)，直至結(jié)束通信；

（2）停止信號（STOP），由主機(jī)產(chǎn)生，用來結(jié)束通信，此后總線將處于空閑狀態(tài)；

（3）重新開始信號（RESTART），由主機(jī)產(chǎn)生，用于改變上次開始時所建立的數(shù)據(jù)傳輸方向或目的從機(jī)；

（4）應(yīng)答信號（ACK），由接收方產(chǎn)生，表示收到數(shù)據(jù)；

（5）非應(yīng)答信號（NO ACK），由接收方產(chǎn)生，如果是從機(jī)作為接收方發(fā)送非應(yīng)答信號，那么主機(jī)認(rèn)為此次數(shù)據(jù)傳輸失??；如果是主機(jī)作為接收方發(fā)送非應(yīng)答信號，那么從機(jī)認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不再往總線上放數(shù)據(jù)。

1.5 I2C 總線數(shù)據(jù)幀格式

I2C 總線上的數(shù)據(jù)幀格式如圖 2 所示，一個標(biāo)準(zhǔn)的I2C 通信由4 部分組成：開始信號、從機(jī)地址傳輸、數(shù)據(jù)傳輸和停止信號。開始信號后的第一個字節(jié)為尋址字節(jié)，由7 位的從機(jī)地址加1 位方向位構(gòu)成，方向位為0 表示主機(jī)寫，方向位為1 表示主機(jī)讀。每傳送一個字節(jié)后都必須跟隨一個應(yīng)答位，每次通信的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)沒有限制，在全部數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，由主機(jī)發(fā)送停止信號，結(jié)束通信。

圖2 I2C 總線數(shù)據(jù)幀格式

2 硬件電路設(shè)計

實驗中，以TI 公司的TM4C123GH6PM 微控制器作為主機(jī)，以LM75A 溫度傳感器作為從機(jī)，建立I2C總線連接，TM4C123GH6PM通過I2C 總線讀取LM75A檢測到的溫度值。硬件電路見圖3。

圖3 硬件電路

2.1 TM4C123GH6PM 介紹

TM4C123GH6PM 是 TI 公司的 TM4C123x 系列的微控制器，工作主頻可達(dá) 80 MHz，采用 ARM Cortex-M4 浮點內(nèi)核。配備有4 個I2C 模塊，每個模塊既可以作為主機(jī)，也可以作為從機(jī)，本實驗中將I2C1模塊用作主機(jī)，其中SDA 和SCL 為引腳PA7 和PA6的復(fù)用功能[10]。

2.2 LM75A

LM75A 是一個帶有I2C 總線接口的溫度傳感器，只能用作從機(jī)。微控制器可以通過 I2C 總線直接讀寫其內(nèi)部寄存器：即溫度寄存器、配置寄存器、THYST寄存器和TOS 寄存器[11]。

除了以上 4 個寄存器以外，LM75A 還有一個 8位的指針寄存器，高 6 位等于0，低2 位是其他4 個寄存器的指針值。指針寄存器對用戶來說是不可訪問的，但通過將指針數(shù)據(jù)放置到總線命令中可以用來選擇需要讀寫的寄存器，其中00 是溫度寄存器的指針，01 是配置寄存器的指針，10 是THYST 寄存器的指針，11 是TOS 寄存器的指針。

溫度寄存器是16 位的只讀寄存器，其中D0—D6為全零，D7—D15 保存當(dāng)前溫度值，這9 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)的形式存放分辨率為0.5 ℃的溫度值。其中D8—D15 為整數(shù)部分，D7 為小數(shù)部分。

LM75A 在總線上的7 位從機(jī)地址由兩部分構(gòu)成，其中低3 位由外部引腳A2、A1 和A0 的邏輯值定義，高4 位由內(nèi)部硬連線預(yù)先設(shè)置為“1001”，因此地址范圍是0X48—0X4F。實驗中將 A2、A1 和A0 全部接地，因此地址為0X48。

通過 I2C 總線讀取 LM75A 溫度寄存器的過程：第1 步，MCU 發(fā)送開始信號，并尋址LM75A，寫方式；第2 步，MCU 寫指針寄存器（00，指向溫度寄存器）；第3 步，MCU 發(fā)送重新開始信號以改變數(shù)據(jù)傳輸方向，尋址LM75A，讀方式；第4 步，MCU 讀溫度寄存器的高8 位；第5 步，MCU 讀溫度寄存器的低8 位；第6 步，MCU 發(fā)送停止信號，釋放總線。讀取溫度寄存器見圖4。

圖4 讀取溫度寄存器

3 基于TivaWare 的程序設(shè)計

TivaWare 是一套廣泛用于控制各種TM4C 系列器件外設(shè)功能的驅(qū)動包，即驅(qū)動函數(shù)庫，其中的 I2C 庫提供了一些用于I2C 操作的API 函數(shù)[12]。程序設(shè)計中將用到以下函數(shù)：

（1）I2CMasterSlaveAddrSet 用來發(fā)送開始信號、尋址字節(jié)；

（2）I2CMasterDataPut 將數(shù)據(jù)寫入 I2C 主機(jī)數(shù)據(jù)寄存器；

（3）I2CMasterDataGet 從 I2C 主機(jī)數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)；

（4）I2CMasterControl 控制主機(jī)模塊的發(fā)送或接收；

（5）I2CMasterBusy 查看主機(jī)是否在忙于發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；

參照圖4 中讀取溫度寄存器的數(shù)據(jù)幀格式，設(shè)計函數(shù)Read_LM75A 如下：

4 實驗結(jié)果

實驗中，每秒鐘讀一次LM75A，并將溫度值（包括高位字節(jié)和低位字節(jié)）以十進(jìn)制格式通過串行口發(fā)送到 PC 的超級終端。為了體現(xiàn)溫度的變化，實驗中用電吹風(fēng)加熱 LM75A 的周邊環(huán)境，通過超級終端看到了緩慢遞增的溫度值，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 超級終端輸出的溫度值

為了更清楚地表示溫度，可以將溫度寄存器的值轉(zhuǎn)換為攝氏度，高位字節(jié)（MSB）為整數(shù)部分；低位字節(jié)的 D7 位為小數(shù)部分，所以低位字節(jié)（LSB）為128 即 0.5 ℃，為0 即 0.0 ℃，將整數(shù)部分加上小數(shù)部分即得到溫度的攝氏度值。將圖5 的輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為攝氏度值的結(jié)果見表1。

表1 超級終端輸出的溫度攝氏度值

5 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，該實驗實現(xiàn)了對I2C 總線的讀寫功能，該實驗的設(shè)計方法對實踐中I2C 總線的程序設(shè)計有一定借鑒意義。文中為了清楚闡明I2C 總線的讀寫時序，采用了查詢等待的模式，實際應(yīng)用中為了提高系統(tǒng)的實時性，應(yīng)該采用中斷模式。