摘要：本應用筆記簡(jiǎn)單回顧了I²C總線(xiàn)的發(fā)展進(jìn)程，并介紹了I²C配置，以簡(jiǎn)化總線(xiàn)上主機與從機之間的通信。應用實(shí)例提供了原理圖和程序代碼，附錄1提供了本文使用的術(shù)語(yǔ)定義。
引言
80年代初期，Philips Semiconductor為減少電子產(chǎn)品內部并行數據總線(xiàn)的數量，開(kāi)發(fā)了Inter IC (I²C)總線(xiàn)。1992年，Philips®發(fā)布I²C總線(xiàn)的1.0版本，該版本定義了一個(gè)2線(xiàn)、雙向總線(xiàn)，用于IC之間的互聯(lián)。到1998年為止，I²C總線(xiàn)已經(jīng)成為低速I(mǎi)C互聯(lián)的標準，50家以上的公司使用了該標準，I²C接口被集成在1000多種不同的IC內。
實(shí)驗表明，本文提供的I²C總線(xiàn)配置很容易實(shí)現總線(xiàn)上從器件的訪(fǎng)問(wèn)。每個(gè)應用實(shí)例給出了原理圖和程序代碼，讀者需要熟悉以下資料：
- I²C總線(xiàn)規范，2.1版，2000年1月。
Philips Semiconductor，#9398 393 40011。
- I²C總線(xiàn)及使用，1995年4月。
Philips Semiconductor，#98-8080-575-01。
- 系統管理總線(xiàn)(SMBus™)規范，2.0版，2000年8月。
背景及討論
I²C總線(xiàn)能夠工作在標準模式、快速模式或高速模式(Hs)。最大速率分別為100kbps (標準模式)、400kbps (快速模式)、1.7Mbps (Hs模式，Cb = 400pF)和3.4Mbps (Hs模式，Cb = 100pF)。
原標準模式采用7位地址，允許112個(gè)從地址。隨著(zhù)對從設備數量需求的增加，I²C總線(xiàn)引入了10位地址長(cháng)度。
快速模式下，從設備增加了很多有用功能。最大數據速率提高四倍，增加到400kbps�？焖倌Ｊ较翴²C總線(xiàn)還向下兼容，支持速率其它類(lèi)似的常常連接到I²C總線(xiàn)的總線(xiàn)，例如，一些無(wú)法支持高速率的總線(xiàn)。為抑制噪聲，快速模式器件的輸入采用了施密特觸發(fā)器結構；另外還要求I²C從器件在電源掉電時(shí)，其SCL和SDA為高阻態(tài)。
構建Hs模式的主要目的是提高數據通信速率—數據速率是標準模式的36倍。I²C總線(xiàn)工作在Hs模式時(shí)，最主要的影響是SCL線(xiàn)上從低電平到高電平的瞬變；因為標準模式和快速模式下，總線(xiàn)的上拉電阻不能產(chǎn)生較快的上升時(shí)間，以支持Hs模式的規格要求。絕大多數Hs模式系統必須在SCL線(xiàn)上提供有源上拉。其它改變包括：Hs模式的兼容性要求，Hs模式主機在標準、快速模式下使用的是8位代碼。如果非應答(I²C幀結構的其中1位)在主機代碼之后立即保持在高電平，那么在停止位出現之前所有通信都將保持在Hs模式。圖1波形演示了如何使用主機代碼進(jìn)入Hs模式。
圖1. 從快速、標準I²C模式進(jìn)入Hs模式的波形
內置I²C接口實(shí)例
PIC18F442微控制器(µC)包含I²C外設接口，此接口支持標準和快速I(mǎi)²C模式。圖2給出一個(gè)應用電路，通過(guò)此接口接收來(lái)自ADC (MAX1169)的采樣數據。PIC®收到數據后會(huì )以115k波特率的速率通過(guò)UART發(fā)送出去，數據經(jīng)過(guò)RS-232收發(fā)器(MAX3232E)后由計算機標準串口采集。文件I2C_on_chip_asm.zip包括了所有實(shí)現快速模式下PIC片上I²C接口通信的匯編程序�？梢允褂肕PLAB IDE 6.10.00版本開(kāi)發(fā)圖2電路的匯編程序。
圖2. PIC18F442 µC內置I²C接口與16位ADC (MAX1169)的連接
逐位仿真實(shí)現I²C通信
MAXQ2000是低功耗16位RISC µC，能夠以逐位仿真方式實(shí)現標準模式、快速模式甚至1.7MHz Hs模式的I²C通信。圖3給出了MAXQ2000的通用原理圖，可以作為I²C主機支持三種工作模式。為了支持1.7MHz Hs模式，原理圖中I²C總線(xiàn)采用有源上拉。I2C_bit_bang_asm.zip文件包含了使用µC GPIO口仿真標準、快速模式I²C通信所需的所有匯編程序。
圖3. 該原理圖(基于MAXQ2000低功耗LCD µC)提供了一個(gè)能夠工作在標準、快速或Hs模式的I²C主機
MAXQ2000的I²C 固件的默認時(shí)鐘速率為100kHz，但µC的16MHz系統時(shí)鐘能夠支持逐位仿真的I²C接口工作在400kHz。以下例程演示了捕獲中斷事件并在簡(jiǎn)單中斷服務(wù)程序中處理中斷的過(guò)程。開(kāi)發(fā)工具使用MAX-IDE 1.0版(開(kāi)發(fā)日期：2004年11月18日)，該軟件可從Maxim網(wǎng)站免費下載。
I2C_bit_bang_c.zi文件中包含了使用MAXQ2000 GPIO口逐位仿真標準、快速模式I²C通信所需的C程序源文件。圖3對應的例程基于maxqi2c庫文件，包括maxqi2c.h和maxqi2c.c.兩個(gè)文件。將文件加載到用戶(hù)工程后，可以在任何GPIO口支持100kHz或400kHz的I²C通信。但是，使用C程序產(chǎn)生特定速率的I²C通信時(shí)，圖3中的Y1必須用20MHz晶體代替15MHz的晶體。本例使用了為MAXQ2000 1.12B版(FAE版)開(kāi)發(fā)的IAR Embedded Workbench® IDE工具，用戶(hù)可以在IAR網(wǎng)站注冊后免費下載用于MAXQ2000的IAR Embedded Workbench (4K，初級版)。
HSI2C_bit_bang_asm_c.zip文件包含了使用MAXQ2000 GPIO逐位仿真1.7MHz Hs模式I²C通信所需的匯編程序和C程序。源代碼采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合代碼，以便充分發(fā)揮這兩種編程語(yǔ)言的優(yōu)勢。匯編程序有助于優(yōu)化速度，C程序能夠使源代碼更簡(jiǎn)捷(只需少數幾行指令)。Hs模式對時(shí)序要求非�？量�，I²C接收函數(hsi2cRecv)采用了匯編程序，代碼在hsi2c.asm文件內。
主程序C代碼對MAXQ2000的UART進(jìn)行初始化，波特率為115.2kbps。為了實(shí)現1.7MHz Hs模式I²C通信，圖3中的Y1必須采用20MHz晶體。主程序C代碼在需要時(shí)調用hsi2cRecv函數，并使用printf函數通過(guò)片上UART發(fā)送數據，數據格式為8-N-1。這里使用Rowley CrossWorks IDE 1.0版(Build 2 Licensed copy)開(kāi)發(fā)工具。要想獲得CrossWorks IDE工具，請聯(lián)系Rowley Associates Limited或訪(fǎng)問(wèn)其網(wǎng)站。
I²C IP核外設接口的實(shí)現
DI2CM I²C IP核(由Digital Core Design開(kāi)發(fā))廣泛用于許多CPLD和FPGA器件。DI2CM I²C IP核將并行接口轉換為I²C接口，并可支持主機真正工作在3.4MHz的Hs模式。圖4應用電路中，Altera® EPM3256AQC208-10 CPLD包含DI2CM IP核。此電路需要使用40MHz晶體(U3)以支持1.7MHz和3.4MHz的Hs模式。帶有輸出使能的3態(tài)邏輯緩沖器使DI2CM IP核可以在SCL線(xiàn)上產(chǎn)生有源上拉，以滿(mǎn)足Hs模式下I²C通信的要求。邏輯反相門(mén)電路U5、U6和U7用于實(shí)現高電平有效和低電平有效的內存映射的并行接口。
詳細電路圖(PDF, 841KB)
圖4. 按照電路所示配置，Altera EPM3256AQC208-10 CPLD中的DI2CM IP核能夠實(shí)現Hs模式的I²C主機
HSI2C_IP_core_asm.zip文件包含了所用用于實(shí)現Hs模式I²C通信所需的匯編程序，通過(guò)連接68HC16的存儲器映射并行接口和使用DI2CM IP核編程的Altera EPM3256 CPLD實(shí)現。本例采用了Motorola® 68HC宏匯編程序，4.1版。
結論
由于I²C總線(xiàn)是目前業(yè)內使用最為廣泛的串行總線(xiàn)，系統設計人員能夠得到豐富的經(jīng)過(guò)驗證的例程。實(shí)施方案有—芯片內置、逐位仿真或IP核，具體取決于所使用的系統處理器。使用經(jīng)過(guò)驗證的設計示例進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)最簡(jiǎn)捷的途徑，本文給出了三種工作模式下I²C接口的設計參考。
附錄1：術(shù)語(yǔ)定義
- CPLD：復雜編程邏輯器件
- DI2CM：由Digital Core Design開(kāi)發(fā)的Hs模式I²C IP核
- FPGA：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列
- GPIO：通用輸入/輸出
- hsi2cRecv：Hs模式I²C接收功能函數，采用匯編程序
- Hs-mode：高速I(mǎi)²C模式
- IC：集成電路
- IDE：集成開(kāi)發(fā)環(huán)境
- IP：知識產(chǎn)權保護
- I²C：內部IC總線(xiàn)
- MAXQ2000：低功耗16位RISC微控制器
- RS-232：推薦標準#232
- SCL：用于I²C總線(xiàn)的硬件串行時(shí)鐘線(xiàn)
- SDA：用于I²C總線(xiàn)的硬件串行數據線(xiàn)
- UART：通用異步收發(fā)器
- µC：微控制器
- 8-N-1：8位，無(wú)奇偶校驗，1位停止位
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