（通信与信息系统专业论文）i～2c总线研究及其应用系统设计.pdf

摘要 摘要 早在1 9 8 0 。s ，飞利浦公司提出了用于芯片间控制的双向两线串行f c 总线，f c 也可写作i i c 指的是i n t e r - i c 的首字母缩写。没有专门的串行扩展总线时，m c u 只能通过并行总线和数据总线扩展外围器件。由于并行总线扩展时连线过多，外 围器件工作方式各异，外围器件与数据存储器混合编址等，都给单片机应用系统 设计带来布线复杂，线路板面积大，易引起e m i 和e s d 干扰等困难，这在一些比 较复杂的应用系统是难以接受的。而采用f c 总线仅用一条数据线( s d a ) 加一条 时钟线( s c l ) 来完成数据的传输及外围器件的扩展，对于各节点的寻址是软寻址 方式，节省了片选线。本文所介绍的采用1 2 c 总线技术设计的多频显示器就充分体 现了上述优点。采用f c 总线的彩色显示器具有高解析度、多功能、高可靠性、低 成本和较高的性能，仅采用微处理器的两个引脚就可实现所有的调整功能。采用 总线技术可使显示器的调整实现自动化，提高了整机的性能和劳动生产率，节省 了成本。采用总线技术可使显示器的几乎所有功能都可通过集成i c 实现，提高了 系统的集成度，减少了外围元件，利于p c b 设计和抗e m i 、e s d 的干扰设计，提 高了整机的稳定性。随着各种通用型外围器件的增多，总线在通讯类产品、仪器 仪表、工业测控等领域的应用也会逐渐成熟起来。 关键词： i2 c 总线：微处理器：高速模式：显示器：自动调整 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ee a r l y1 9 8 0 s p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r sd e v e l o p e das i m p l eb i - d i r e c t i o n a l 2 - w i r eb u sf o re f f i c i e n ti n t e r - i cc o n t r 0 1 t h i sb u si sc a l l e dt h ei n t e r i co ri c b u s p e r i p h e r a l d e v i c e si ne m b e d d e d s y s t e m s a r eo f t e nc o n n e c t e dt ot h em c ua s m e m o r y m a p p e di 0d e v i c e s ，u s i n gt h em i c r o c o n t r o l l e r sp a r a l l e la d d r e s sa n dd a t ab u s t h i sr e s u l t si nl o t so fw i r i n go nt h ep c b st or o u t et h ea d d r e s sa n dd a t al i n e s ，n o tt o m e n t i o nan u m b e ro fa d d r e s sd e c o d e r sa n dg l u el o g i ct oc o n n e c te v e r y t h i n g i nm a s s p r o d u c t i o ni t e m ss u c ha st v - s e t s ，v c r 。sa n da u d i oe q u i p m e n t ，t h i si sn o ta c c e p t a b l e i n t h e s ea p p l i a n c e s ，e v e r yc o m p o n e n tt h a tc a l lb es a v e dm e a n si n c r e a s e dp r o f i t a b i l i t yf o r t h em a n u f a c t u r e ra n dm o r ea f f o r d a b l ep r o d u c t sf o rt h ee n dc u s t o m e r f u r t h e r m o r e 1 0 - t s o fc o n t r o ll i n e si m p l i e st h a tt h es y s t e m si sm o r es u s c e p t i b l et o d i s t u r b a n c e sb y e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) a n de l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d ) i nt h i sp a p e rw e i n t r o d u c et h ed e s i g no fm u l t i s y n c h r o n i z a t i o nm o n i t o rb y1 cb u sw h i c hi m p r o v e m o n i t o rp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o wt ou s ei 2 cb u sa u t o m a t i c a l l ya d j u s t ：i n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fm o n i t o r t o d a y , t h e1 2 c b u si su s e di nm a n yo t h e ra p p l i c a t i o nf i e l d s t h a nj u s ta u d i oa n dv i d e oe q u i p m e n t t h eb u si sg e n e r a l l ya c c e p t e di nt h ei n d u s t r ya sad e f a c t o s t a n d a r d k e yw o r d s ：1 2 cb u s ；m c u ；m o n i t o r ；h ig h s p e e dm o d e ：a u t o c o n d i t i o n i n g i i 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 应用系统设计中的串行扩展 随着工业生产的现代化和人民生活水平的不断提高，对于工业与民用产品的 要求也越来越高，尤其对多功能化、智能化方面的要求更为突出。应用单片机是 满足与实现这一要求的最佳方案。在国外，目前单片机的年产量数以亿计，其数 量之大，应用之广，是任何其它类型计算机所不可比拟的。 单片机进入我国市场的时间还不是很长，但已被各个领域的工程技术人员所 接受，并应用于各个领域之中。尤其在智能仪表、工业控制器、家用电器领域中， 更受到青睐。随着单片机技术的发展，越来越多的单片机芯片增强了通讯接口的 功能，从而使单片机的最佳工作方式不仅仅限于单片或最小扩展方式，还具有总 线通讯扩展方式。单片机己成为系统控制家族中的员。通过总线通讯扩展，使 分散的单片机控制设备非常方便地构成网络和控制系统，而且还可以和其它微机 系统构成多级控制系统及管理与控制相结合的综合系统。由此更进一步扩大了照 片机的应用范围。 总线型单片机虽然有方便的并行扩展总线，然而串行扩展接口或串行扩展总 线的设置必将大大地简化其系统结构。新一代单片机技术的显著特点之一就是晶 行扩展总线的推出。在没有专门的串行扩展总线时，除了可以使用u a r t 串行口 的移位寄存器方式扩展并行i o 外，只能通过并行总线扩展外围器件。由于并行总 线扩展时连线过多，外围器件工作方式各异，外围器件与数据存储器混合编址等， 都给单片机应用系统设计带来较大困难。外围器件在系统中软、硬件的独立性较 差，很难实现应用系统的模块化、标准化设计。并行、串行的两种外围器件的扩 展方式为硬件系统设计带来极大方便。除了必须的存储器扩展外，其它外围器件 都可通过串行扩展方法进行扩展。串行总线扩展接线灵活，极易形成用户的模块 化结构。 当前，各大公司生产的单片机芯片规格各异，总线接口硬、软件的联接与约 定也不尽相同。当前常见、应用较广的几种单片机总线型式有飞利浦公司的i z c 总 河北大学工学硕士学位论文 线，英特尔公司的位总线，美国国家半导体公司的m i c r o w i r e 总线和摩托罗拉 公司的s p i 总线。其中f c 总线具有标准的规范以及众多带f c 接口的外围器件形 成了较为完善的串行扩展总线。 在硬件结构上，任何一个具有f c 总线接口的外围器件，不论其功能差别有多 大，都具有相同的电气接口；除了总线外，各器件节点没有其它电气连接，甚至 各节点电源都可以单独供电；在各器件节点上没有并行扩展时所必须的片选线， 器件地址给定完全取决于器件类型与单元结构。在软件上，不论任何种器件，其 f c 总线的数据传送都具有相同的操作模式，而且每个器件操作时都与其它器件节 点无关。在实际使用中，总线节点上的器件甚至可和总线工作状态下撤除或挂上 总线。 1 2 工2 c 总线国内外发展现状及在系统设计中的意义 1 2 11 2 c 总线的历史与发展 早在1 9 8 0 s ，飞利浦公司提出了用于芯片间控制的双向两线串行总线模式， 19 9 2 年首次发布f c 总线规范v e r s i o n1 0 并取得专利。f c 也可写作i i c 指的是 i n t e r i c 的首字母缩写，经过十年的发展k 总线以应用于许多不同的领域，例如 音频视频等。f c 总线已经被大多数的芯片厂家所采用，比如世界上较为著名的有 x i c o r , s tm i c r o e l e c t r o n i c s ，i n f i n e o nt e c h n o l o g i e s 。i n t e l t e x a si n s t r u m e n t s ， m a x i m ，a t m e l ，a n a l o gd e v i c e s 等，带有f c 接口芯片的类型已有1 0 0 0 多个，获 得飞利浦公司授权的芯片厂商有5 0 多家，已经成为世界性的工业标准。飞利浦公 司也相应的于1 9 9 8 年发布f c 总线规范v e r s i o n2 0 ，2 0 0 1 年发布1 2 c 总线规范 v e r s i o n2 1 ，完善和扩展了f c 总线的功能。f c 总线始终和先进技术保持同步，但 仍然保持其向下兼容性。并且最近还增加了高速模式，其速度可达3 4 m b i t s s 。它 使得f c 总线能够支持现有以及将来的高速串行传输应用。 为了简化系统结构，提高系统的可靠性机灵活性，新代的单片机都相继采 用了串行扩展技术，较为典型的还有m o t o r o l a 公司的s p i 串行口，n s 公司的 m i c r o w 工r e p l u s 串行接口。其中，s p i 与p l u s 采用的是数据输入、数据输出、时 第1 章绪论 1 1 钟三线，加片选线形式，对于少数外围器件的扩展极为方便，但当外围器件较多 时，就要有相应多的片选线，而且由这两种总线组成的多机系统中只能由一个主 枫，不利与模块化设计。 相比之下f c 总线克服了上述两种总线的不足，它采用一条数据线( s d a ) 加 一条时钟线( s c l ) 来完成数据的传输及外围器件的扩展；对于各节点的寻址是软 寻址方式，节省了片选线，标准的寻址字节s l a m 为7 位，可寻址1 2 7 个单元。 目前p h i l i p s 公司又推出1 0 一b i ta d d r e s s i n g 产品，这样寻址空间扩大到1 0 2 4 个 单元；另外p c 总线支持多电源漏极开路或集电极开路电路，能对总线上的进行冲 突检测，在总线竞争过程中进行总线控制权的仲裁和时钟同步，保护数据而不会 造成数据丢失的功能，因此能够组成多主机系统，在这方面明显优于r s 2 3 2 接口。 目前f c 总线主要应用于视频领域，但随着各种通用型外围器件的增多，总线 在工业测控等领域的应用也会逐渐成熟起来。 在以往的单片机系统设计中，往往采用数据总线( d b ) 、地址总线( a b ) 控制 总线( c b ) 对外围器件进行并行扩展的方法来组成系统，布线复杂，线路板面积 大，也易引起e m i 干扰，且硬件的查错较难，而采用i z c 总线扩展，就会变得十 分简洁。如下图： 、图1 1 i z c 总线典型扩展 不难看出上面的系统中，只用两根线就可以和所有的外围器件进行信息交换， 这种简单系统可用在各种智能仪表、信息终端及工业测控单元，将能最大限度的 缩短开发周期。自从1 9 8 0 年以来，标准模式和快速模式的1 2 c 总线已经获得了广 泛应用，标准模式传输速率为1 0 0 k b i t s ，快速模式4 0 0 k b i t s 为了适应更高速 度的需要髓着随着微电子技术的发展，p h i l i p s 公司于2 0 0 1 年又提出了传输速率 可达3 4 m b i t s 的高速模式，相信随着技术的进一步成熟i 总线将逐渐适应于高 河北大学工学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! e 自目g ! 目! ! | ! 目e 鼍! ! 目鲁g 詈皇目自e 自幽i l l lf 皇鼍矗皇e ! e 自| ! ! 鼍囊章宣目e | 詈! ! ! 量! 鼍s ! ! ! 自! ! ! ! ! 基 速控制系统中。 i2 c 作为通信总线可以方便的组成多主机网络化系统，代替以前由r s 2 3 2 总线组成 的单主机系统，使系统的信息传输更为灵活，且有利于产品的模块化设计及改型 与升级。其连接线仅受4 0 0 p f 电容限制，但如果在总线中加上8 2 8 7 1 5 总线远程驱 动器可以把总线电容限制扩展十倍，传输距离可增加到1 5 m 。 1 2 2f c 总线在单片机应用系统设计中的意义 现代消费类产品、通讯类产品、仪器仪表、工业测控系统中，逐渐形成了以 + 个或多个单片机组成的智能系统，这些系统硬件结构都有相似之处： 1 单片机电路曰趋简单化和标准化。通常是由单片机 ( m i c r o c o n r o l l e r ) 、程序存储器( e p r o m ) 、数据存储器( s r a m ) 构成的 三片体系，或采用有在片程序存储器的单片机与数据存储器构成的二片体系，以 及单片机与通用外围接口器件( p s d ) 构成的最简单体系。 2 都有一些外围通用电路，如e e p r o m 、i o 口、a d 、d a 、日历时钟等外 围器件和键盘、l e d 几c d 显示器、打印机接口等外围设备模块等。 3 面对系统特殊应用的一些电路，如无线电、电视、音像系统中的数字协调、 编码、解码、图象处理、频率合成、音调控制、立体声处理等。 在上述的一些电路中，除与单片机直接相关的程序存储器、并行扩展的数据 存储器外，单片机对许多外围电路之间主要是实现控制功能，而且许多外设并不 要求很高的数据传送速度。为了简化系统，提高系统的可靠性，缩短产品开发周 期，增加硬件结构的灵活性，p h i l i p s 公司推出了高效、可靠、方便的串行扩展总 线f c 总线。 在单片机应用系统中推广f c 总线后将会大大改变单片机应用系统结构性能 对单片机的应用开发带来以下好处： 1 可最大限度地简化结构。二线制的f c 串行总线使得各电路单元之间只需 最简单的连接，而且总线接口都集成在器件中，不需另加总线接口电路。电路的 简化省去了电路板上大量走线，减少电路板面积，提高了可靠性，降低了成本。 2 可实现电路系统的模块化、标准化设计。在f c 总线上各单元电路除了个 第1 章绪论 别中断引线外，相互之间没有其他连线，用户常用的单元电路基本上与系统电路 无关，敏极易形成用户自己的标准化、模块化设计。 3 标准f c 总线模块的组合开发方式大大地缩短了薪品的开发周期。 4 i z c 总线各节点具有独立的电器特性，各节点单元电路能在相互不受影响 的情况下，甚至在系统供电情况下，接入或撤除。 5 f c 总线系统构成具有最大的灵活性。系统该型设计、或对已加工好的电 路板需扩展功能时，对原有设计及电路板系统影响最小。 6 f c 总线系统可方便地对某一接点电路进行故障诊断与跟踪，有极好的可 维护性。 目前p h i l i p s 及f c 总线器件，除带有f c 总线单片机、常用的通用外围器件外， 在家电产品、电讯、电视、音像产品中已发展成套f c 总线器件，在这些部门中1 2 c 总线系统已经开始到了广泛的应用。 1 3 本文研究内容 本文的研究内容主要有以下两个方面。首先，我仔细研究f c 总线规范的三个 版本，v e r s i o n1 o 一1 9 9 2 、v e r s i o n2 o 一1 9 9 8 、v e 珏k n2 1 2 0 0 1 。阐述了f c 总线的 基本原理，根据f c 总线最新扩展规范，在国内首次介绍了f c 总线3 4 m b i t s 的 高速模式并且在通信协议上充分论述了3 4 b l b i t s 的高速模式与现有模式混合通 信的方法。 随着显卡和高清晰度电视的发展，要求显示终端能够支持多种显示模式，分 辨率从6 0 0 + 4 0 0 一直到1 9 2 0 + 1 2 8 0 ，甚至更高。但是不同的显示模式下，行频场频 会有不同，这就要求显示终端行场频率有较宽的调整范围。同时显示器性能的提 高与功能的增加，复杂程度也越来越高，需要控制的项目也越来越多。如果还采 用早期生产的模拟彩色显示器技术或目前流行的数控彩色显示器技术都存在以下 几点不足： 1 采用模拟彩色显示器技术要想实现多频显示、整机的调整都要通过调整电 位器来实现，不能实现自动化调整。机器内没有微处理器的支持，仅能较少的几 显示模式。由于过多的调整电位器需要人工调节，致性较差，很难对机器进行 河北大学工学硕士学位论文 精确的调节，大大影响整机的性能。同时稳定性也比较差不良率较高，难以提高 产品质量。 2 数控彩色显示器采用了微处理器控制，性能比模拟彩色显示器提高了许多。 数控彩色显示器对频率和功能的控制是通过调整微处理器p w m 波以及数据口的数 据传输实现的。由于性能的提高与功能的增加，复杂程度也越来越高，需要控制 的项目也越来越多，例如场幅度、场扫描线性、场中心、行幅度、行扫描中心、 行平行四边形失真、四角边缘失真、图像东西枕彤失真等的控制，每一个控制功 能都需要占用微处理器的一个引脚，所以这将对微处理器的功能有较大的限制， 软件的功能不易提高。过多的控制线也将容易受到电磁和静电得干扰， l 起机器 死机和故障。由于机器不易实现每个显示模式的自动调整，当切换显示模式后可 使显示器有明显的行场幅度变化，严重时图像有明显失真。 在本文的后一部分介绍了采用f c 总线设计的多频彩色显示器。随着科技发 展，显示器向高解析度、多功能、高可靠性、低成本来发展。如何使显示器的人 机对话界面更友好，用户使用方便，性价比更合理成为研发的关键。采用1 2 c 总线 的彩色显示器具有高解析度、多功能、高可靠性、低成本和较高的性能，仅采用 微处理器的两个引脚就可实现所有功能的调整。采用总线技术可使显示器的调整 实现自动化，提高了整机的性能和劳动生产率，节省了成本。采用总线技术可使 显示器的几乎所有功能都可通过集成i c 实现，提高了系统的集成度，减少了外围 元件，利于p c b 设计和抗e m i 、e s d 的干扰设计，提高了整机的稳定性。 基本原理框图如下： s d a s c l 6 第2 章p c 总线的结构与工作原理 i i i i i 仲裁：在多主竞争状态时的裁决过程。裁决的结果只允许其中一个主器节电 成为主控器继续占据总线。仲裁过程中总线上数据不丢失。 同步；多主竞争状态下将参与竞争的主器件的时钟信号进行同步处理。 2 2 1 2 c 总线的接口电路 i z c 总线的时钟线s c 哪数据线s d a 都是双向传输线。总线备用时s d a 和s c i 都必须保持高电平状态，只有关闭f c 总线时才使s c l 钳位在低电平。在标准f c 模 式下数据传送速率可达1 0 0 k b i t s ，快速模式下可达4 0 0 k b i t s 总线的驱动能力受总线 电容限制，不加驱动扩展时驱动能力为4 0 0 p f 。为了能使总线上所有电路的输出能 实现线“与”的逻辑功能，各个f c 总线的接口电路的输出端必须是漏极开路或集 电极开路结构，如图2 1 所示。输出端必须接上拉电阻。 悯$ 郦 0 r p 曼m 。岿e r 目o l i r 鹤丫丫 瓣l m dc l o c k l i n e ) 剐j 司础，期黜期掣钢 5 铲划肾划8 鼢划肾划 d e v i c e1d e v i c e2 删糊+ 图2 1 1 2 c 接口电路结构 2 31 2 c 总线的信号及时序定义 在f c 总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应，其逻辑“0 ”和“1 ”的信 号电平取决于该节点的正端电源v d d 的电压。 2 3 1 总线上数据的有效性 f c 总线数据传输时，在时钟线高电平期间数据线上必须保持有稳定的逻辑电 平状态，高电平为数据1 ，低电平为数据0 。只有在时钟线为低电平时，才允许数 据线上的电平状态变化。如图2 。2 所示。 7 河北大学工学硕士学位论文 i i ii ii i ii i s n 瓣l r 1r 、 测岔；嬲； 抽w i d i 羽o * d l岱盘 图2 21 2 c 总线上数据位传送 2 3 2 总线数据传送的起始与停止 不 f c 总线数据传送有两种时序状态分别定义为起始信号和终止信号如图2 3 所 s d a 一乱j 二：二l 1 一一s 1 3 a 计厂、厂f f s “t 玎_ 、厂、厂f 丁。s “ s t a r t d n 研o p 蜘 图2 , 3f c 总线上的起始信号和终止信号 起始信号( s t a r t ) ：在时钟线保持高点平期间，数据线出现由高点平向低点平变 化时将启动1 2 c 总线，为1 2 c 总线的起始信号 终止信号( s t o p ) ：在时钟线保持高点平期间，数据线出现由低点平向高点平变 化时将启动p c 总线，为i k 2 总线的终止信号 起始信号与终止信号都是由主控制器产生总线上带有1 2 c 总线接口的器件很 容易检测到这些信号但是对于不具备这些硬件接口的一些单片机来说，为了能准 确地检测到这些信号，必须保证在总线的一个时钟周期内对数据线至少进行两次采 样。 第2 章1 2 c 总线的结构与工作原理 2 3 3 总线信号时序要求 为了保证1 2 c 总线数据的可靠传送，对总线上的信号时序作了严格的规定，其时 序定义如图2 4 所示图中对主要信号时序作了定义，并在表2 1 中给出了具体数据 表中给出的s c l 时钟信号最小高电平和低电平周期决定了器件的最大数据传输率， 标准模式为1 0 0 k b i t s ，快速模式为4 0 0 k b i t s 标准模式和快速模式的f c 总线器件都 必须能满足各自的最高数据传送速率要求当然，实际数据传送时可以选择不同的 数据传送速率，同时也可以采取延长s c l 低电平周期来控制数据传送速率 图2 4 f c 总线的时序定义 参数 符号标准模式 快速模式 苴 最大值最小值 最犬值最小值 位 s c l 时钟频率 f s d01 0 004 0 0k h z 在一个终止信号和起 t b u f4 71 3 始信号之间必须空闲 的时问 起始信号保持时间( 在 t h d ；s t 4 00 6u s 这段时问过后可产生 、 第一个时钟脉冲) s c l 时钟信号低电平 t i o w4 7 1 3 u s 周期 s c l 始终信号高电平r h l g h 4 00 6u s 周期 个重复信号的建立 t s u ；s t4 70 6u s 时间 a 河北大学工学硕士学位论文 ! , , i i ii i i i i i q l l ! 注 数据保持时间：与t h d ；d 5 0 u s c b u s 兼容的主控器 a t 0 1 ) 0 1 )0 9 2 ) u s f c 总线器件 数据建立时间 t s u ；d a 2 5 0 i 0 0 3 ) s d a 和s c l 信号的上 t r1 0 0 02 0 + 0 1 c3 0 0n s 升时间 b 4 、 s d a 和s c l 信号的下 t f3 0 02 0 + 0 1 c3 0 0n s 降时间 b 4 ) 终止信号的建立时间 t s u ；s t 4 00 6u s o 总线上每条线的负载 c o 4 0 0 4 0 0 p f 电容 表2 1 f c 总线信号定时要求 1 、为了跨过s c l 信号下降沿中的未定义区域，所有的器件都必须在内部对s d a 信号提 供一个至少为3 0 0 n s 的保持时间 2 ) 只有在器件没有延长s c l 信号低电平周期( o w ) 的情况下才必须满足t h d ，d a t 最大的 限制 3 )一个快速模式的i z c 总线器件可以用在一个标准模式的f c 总线系统中，但是关于 t s u ，d a t = 2 5 0 n s 的要求也同时必须得至0 满足反之，它必须在释放s c l 以前( 根据 标准模式下1 2 c 总线规范) 提前一定时间t r + t s u ；d a t = 1 0 0 0 + 2 5 0 n s ，先在s d a 线上 输出下一比特c b 表示以口f 为单位的每条总线的总电容值。 2 41 2 c 总线上的数据传送格式 2 4 ip c 总线上的数据传送 1 2 c 总线上传送的每一个字节均为8 位，但每启动一次f c 总线，其后的数据传 输字节数是没有限制的每传送一个字节后都必须跟随一个应答位，并且首先发送 的数据位为最高位在全部数据传送结束后主控制器发送终止信号，如图2 5 所示 第2 章f c 总线的结构与工作原理 一h ! ( _ = ) ( 二 厂弋二) 二) 二：工 玉工 ：m 8篙嚣黼嚣j 慧黼糕搿：黑； “： 。寸蚕nn 一 “崮u ，u ，l 。篮籍r ：啦ack j - l 一j 。盏裂；。 c o n d l l l d q a ；g 图2 5f c 总线上的数据传送 从图中可以看到，没有时钟信号时数据传送将停止进行，接口的线与特征将使 s c l 在低电平时钳住总线这种情况可以用于当接收到一个字节数据后要进行一些 其它工作而无法立即接收下个数据时，追使总线进入等待状态，直到接收器准备好 接收新数据时，接收器再释放时钟线使数据传送得以继续正常进行例如，当接收器 接收完主控制器的一个字节数据后，产生中断信号并进行中断处理，中断处理完毕 才能接收下一个字节数据，这时接收器在中断处理时将钳住s c l 为低电平直到中断 处理完毕才释放s c l 。 2 4 2 应答信号( a c k ) f c 总线数据传送时，每传送一个字节数据后都必须有应答信号，与应答信号相 对应的时钟由主控器产生，这时发送器必须在这一时钟位上释放数据线，使其处于 高电平状态，以便接收器在这一位上送出应答信号，如图2 6 所示应答信号在第9 个 时钟位上出现，接收器输出低电平为应答信号，输出高电平则为非应答信号 由于某种原因，被控器不产生应答时，如被控器正在进行其它处理而无法接收 总线上的数据时，必须释放总线，将数据线只高电平，然后主控制器可通过产生一个 停止信号来终止总线数据传输 河北大学工学硕士学位论文 皇皇! 鲁! 黑邕! 兰曼! 尊皇葛寡曼皇! ! 鼍皇! ! 詈詈! 曹寡皇! 冀毒i 一, - - d a t a o 舭u t i 朗l i t 小| 二 口( ：x 二二7 _ 一 i 。l d 、 deavi一atocuei，vpeuni。i1。一一一i：二：?7” ! ! “哪” s c l f r o 。m 。下卞、厂n 、n 厂n _ 飞 嚣l 黝- j 渤麟坠 图2 6p c 总线上的应答信号 当主控器接收数据时，接收到最后一个数据字节后，必须给被空发送器发送一个非 应答位( a ) ，使被空发送器释放数据总线，以便主控制发送停止信号，从而终止数据传 送 2 4 3 数据传送格式 1 2 c 总线数据传输时必须遵循规定的数据格式，如图2 7 为一次完整的数据 传输格式。 f ir ： s 她_ 口厄： 口厄：皿l 仃 s c 可u 二 风风厂： 闩n 厂：7 、风风行 ! ：j 【。_ j 【一i 一1 ，一【_ j1 ，一【一! 一。j 盯 r t舶o r e 陌瓣 c kd a t a c kdatacks t o p 图2 ? p c 总线的一次完整豹数据传送 、 按照总线规定，起始信号表明一次数据传输的开始，其后为寻址字节，寻址 字节由高7 位地址和最低1 位方向位组成，方向位表明主控器和被控器数据传送 方向，方向位为0 时表明主控器对被控器的写操作，为1时表明主控器对被控 器的读操作在寻址字节后是按照指定读、写操作的数据字节与应答位。在数据传 送完成后主控器都必须发送停止信号。 总线上的数据传输有许多读、写组合方式。下面已简化的图解方式介绍三类 第2 章1 2 c 总线的结构与工作原理 数据传送格式。 1 控器的写操作 主控器向被寻址的被控器发送1 1 个数据字节，整个传输过程中数据传送方向 不变。其数据传送格式如下： l 由佃t 册喝妇伸d 一 口枷n 嘲 nb 蜘+ a c l t n a 删g e ) 一a 。赫n o w l e d g e ( s d al o w “s ：尝韶c o n d 哟m o 。n 8 嗽剖= g t f 玎 a ：应答信号 a ：非应答信号 s ：起始信号 p ：停止信号 s l a w ：寻址字节( 写) 主控器的读操作。 主控器从被控器中读出n 个字节的操作，整个传输过程中除寻址字节外，都 是被控器发送，主控器接收的过程。数据传送的格式如下： l 一由恼l “* 划e d - _ j i m d if n b y e = + a c l m = 舶d g e l 2 主控器的读写操作。 在一次数据传输过程中需要改变传送方向的操作，这时，起始信号和寻址字 节都会重复一次，但两次读写方向正好相反数据传送格式如下： 聪转嬲嬲蛹熏翻一蕊嘲獭筐旋强冀协期a | 一一i 颤弘l 河北大学下学硕士学位论文 其中s r ：重复起始信号； 图中未表注数据字节的传输方向，其方向决定于寻址字节的方向位。 从上述数据传送格式可以看出： 1 ) 无论何种方式起始、停止，寻址字节都由主控器发送，数据字节的传送：疗 向则遵循寻址字节中方向位的规定。 2 ) 寻址字节只表明器件地址及传送方向，器件内部的t 1 个数据地址由器件设 计者在该器件的i 2 c 总线数据操作格式中指定第一个数据字节作为器件内 的单元地址数据。并且设置地址自动加减功能。 3 1 字节传送都必须有应答信号相随。 4 ) i z c 总线被控器在接收至h 起始信号后都必须复位它们的总线逻辑，以便对 将要开始的被控器地址的传送进行预处理。 2 51 2 c 总线的寻址约定 为了消除1 2 c 总线系统中主控器与被控器的地址选择线，最大限度地简化总线 连接线，1 2 c 总线采用了独特的寻址约定，规定了起始信号后的第一个字节为寻址字 节，用来寻址被控器件，并规定数据传送方向。 2 5 1 寻址字节的位定义 在1 2 c 总线系统中，寻址字节由被控器的七位地址位( 它占据了d 7 d 1 位) 和一 位方向位( 为d o 位) 组成方向位为0 时表示主控器将数据写入被控器，为1 时表示主 控器从被控器读取数据 主控器发送起始信号后，立即发送寻址字节，这时，总线上的所有器件都将寻址 字节中的7 位地址与自己器件地址想比较如果两者相同，则该器件认为被主控器寻 址，并根据读，写为确定是被控发送器或被控接收器 f c 总线系统中，主器件( 单片机) 作为被控器时，其7 为从地址在1 2 c 总线地址寄 存器中给定，为纯软件地址而； 单片机类型的外围器件地址完全由器件类型与引 脚电平给定，即器件的7 位地址由器件编号地址( 高4 位d 7 一d 4 ) 和引脚地址( 低3 位 d 3 一d 1 ) 组成，如8 位i 0 扩展器件p c f 8 5 7 4 其器件编号地址为0 1 1 1 ，引脚地址为 第2 章f c 总线的结构与工作原理 a 2 ，a 1 ，a 0 如果在f c 总线系统中p c f 8 5 7 4 地址引脚a 2 ，a 1 皆接地，则该器件的 寻址字节为s l a w = 7 0 h 。s l a r = 7 1 h f c 总线上同一地址器件最大允许接入数量取 决于可利用的地址引脚数 2 5 2 寻址字节中的特殊地址 i z c 总线地址统一由1 2 c 总线委员会实行分配其中两组编号地址0 0 0 0 和1 1 1 1 已被保留作特殊用途，如表2 2 所示f c 总线规约所给出的这些能与其它规约混合使 用，只有那些能够一这种格式和规约工作的f c 总线兼容器才允许对这些保留地址 进行应答 被控器地址读写用途 o o o 0 0 0 0o 通用调用地址 0 0 0 00 0 0 1 起始字节 0 0 0 0 0 0 1x c b u s 地址 0 0 0 0 0 1 0 x 为不同总线格式而保留 的地址 0 0 0 00 1 1x 待定 0 0 0 0 1 x xx 1 1 1 1 1 x x x 1 1 1 1 ( ) ( x 1 0 位被控器寻址 表2 2 f c 总线中的特殊字节 1 广播地址 广播地址用于访问f c 总线上所有器件但是，如果某个器件不需要主控器发送 的广播数据时，则可以不对广播地址应答，并且忽略该地址。反之，如果某器件需要广 播地址中的数据，则必须对核地址进行应答，并成为一个被控接收广播寻址的第二二 个字节以及随后的数据字节。被控器有能力处理这些数据时应进行时进行应答，否 则忽略该字节并且不作应答。 广播寻址的内容是由第二个字节来设定的，其格式如下： 1 ) b 为0 时的情况 b 为0 时第二字节有如下定义： 河北大学工学硕士学位论文 ! 詈! 鼍! 鼍詈曼曼堂皇墨皇罡皇詈皇曼皇寡! 兰舞基鼍鼍墨墨曼皇墨皇詈墨量量墨摹覃墨iii , 鼍皇寡黑罡 0 0 0 0 0 1 1 0 ( 0 6 h ) ：被控制器地址的可编程部分由硬件进行复位和写入在收到这 两个字节的序列后，所有能响应通用地址的器件都将复位，并装入其地址中的可编 程部分。 0 0 0 0 0 1 0 0 ( 0 4 h ) ：被控制器地址的可编程部分由硬件进行写入，在收到这两个字 节的序列后，所有能响应广播寻址并通过硬件来定义它们各自可编程部分的器件将 锁定它们地址中的可编程部分，但不进行复位 o o o o o o o o ( o o h ) ：该编码不允许用在第二字节有关各种器件在广播寻址中的编 程过程可参阅相应的资料 第二字节的其余情况格式还未确定，各器件应忽略这些数据。 2 ) b 为1 时的情况 当b 为1 时，广播地址中的二个字节为硬件广播呼叫，它表示数据是一个硬件主 空乏送、主控发出的，例如一个键盘控制器等，这些器件无法通过对它编程来发送一 个所希望的被控器地址。由于硬件主控器无法事先知道送出的信息将传向哪个被 控器，所以它只能通过发送这种硬件广播呼叫和自身的地址，以使系统识别它硬件 主控发送器的数据传送格式如下： 囤翌圈至至丑! 匹卫三e 卫三臣 通用调用地址f 一第二字节一i n 字节+ 应答 一i 第二个字节中的七位数据是硬件主控器的地址，这个地址可被总线上的一个主 控器件所识别，并由它来处理硬件主控器发送的数据如果硬件 主控器也能作为被控器工作，则硬件主控器地址就是它的被控器地址 在一些系统中，广播寻址还可以有另外一种方式，即复位后，硬件主控发送器可 以首先进入被控接收器工作方式，由系统配置一个主控制器来 通知数据传送对象的地址，在完成这个编程过程后，硬件主控器工作方式，其数据操 作格式如下： ( a )系统主控器将转穆地址发送给硬件主控器 ( b )硬件主控器将数据发送给所选择的被控接 收器 i n 字节+ 应答一f 第2 章1 2 c 总线的结构与工作原理 2 起始字节 起始字节是提供给无1 2 c 总线接口的单片机查询1 2 c 总线时使用的特殊字节 通常单片机可以通过两种方法接入f c 总线如果本身带有1 2 c 总线的硬件接口，则 可以通过编程来响应由f c 总线请求而产生的中断单如果单片机不具备这样的硬 件接口时，则必须通过软件不断检测总线，以便及时响应总线的请求显然，单片机监 控总线或定时查询总线的单片机来说，工作速度会减慢而与快速硬件电路之间产生 。一定差距，再这种情况下，1 2 c 总线上的数据可以由一个较长的起始过程加以引导，如 图2 8 所示 i _ 1r s * n i 一厂蕊矾； h i g h ) l fl “w 嗽一八，吒w 丁 l _ 删 白 卜一一一# b b ”0 0 0 c 1 0 0 0 1 叫 图2 8 起始字节引导过程 引导过程由起始信号s ，起始字节，应答位，重复信号s r 组成 请求访问总线的主控器在向总线传送一个起始信号后，接着传送一个起始字节 ( 0 0 0 0 0 0 0 1 ) ，另一个单片机可以有一个较低的采样率2 v j s d a 线进行采样，直到起始字 节中七个”0 ”信号中的一位被检测到为止，然后这个单片机即可转而以较高的采样 速率对1 2 c 总线的软件查寻，以便发现用于同步的第二个起始信号s r 。在收到第三 个起始信号s r 后，硬件接收器将复位，由此而忽略整个起始字节 在起始字节后，会产生个与应答信号相关的时钟脉冲，这仅仅是为了使总线 的数据处理格式保持一致，不允许任何电路对起始字节进行应答。 3 c b u s 地址 c b u s 地址的设置使现有的c b u s 接收器也可以接入1 2 c 总线c b u s 发送器 接收器必须同时连接第三条信号线d l e n ，并且省去f c 总线通讯中的应答信号位 通常f c 总线上数据传输都是以8 位为字节的组合，而c b u s 电路却采用了不同 的数据格式 由于在1 2 c 总线和c b u s 混合总线中，不允许f c 总线兼容器件响应c b u s 信 河北大学工学硕士学位论文 息因此f c 总线约了一个特殊的c b u s 地止( 0 0 0 0 0 0 0 1 4 ) ，没有任何一个1 2 c 总线器 回响应这个地址在传送了c b u s 地址后，可以通过将d l e n 变为有效，按c b u s 的 格式完成c b u s 器件间的数据传输，在终止信号后， 所有的器件又重新准备接收数据c b u s 接收器发送器数据传输格式如图2 9 所示 r r 一刊_ r 弋 i x 丁 = 】口口 ：) c z ) u z e z e z z l _ i _ _ 盯。 i * 。十乱厂、几几几八n 几八八八n 几几_ n 几一n 几几八- 叶寸 一w ：厂一一 l ! j 1 ，j i _ j i - j i ，一二二 岢 - 。i 嚣。蕊：，盏躲耋鐾：露：豁 n n t 图2 9 c b u s 接收器发送器的数据传送格式 主控发送器发送了c b u s 地址后，可以按c b u s 格式进行数据传送，整个传送过 程由终止信号而停止并被总线上的所有器件所识别 2 6 1 2 c 接口的结构与工作原理 8 x c 5 5 2 、8 x c l 4 1 0 、8 x c 5 8 0 、8 x c 6 5 4 、8 x c 6 5 2 、8 x c e 6 5 4 、8 x c l 7 8 l 、8 x e 5 2 8 都具有标准模字节方式的1 2c 总线结构，符合标准的1 2 c 总线规范，其结构与： 作原理以及所用的特殊功能寄存器完全相同，可以通过介绍8 x c 5 5 2 的1 2 c 总线结 构与工作原理掌握这类单片机的1 2c 总线的使用方法。8 x c 5 5 2 的1 2c 总线串行定 义为s 1 0 1 ，原有的u a r t 串行接口定义为s 1 0 0 以示区别。 8 x c 5 5 2 的接口电路中，除了上节中介绍的线与的输出结构外，在输入级都有 输入滤波器，在口结构中还有4 个特殊功能寄存器以及比较器、总线竞争同步逻 辑、定时控制逻辑、串行始终发生器和状态解码器等。 2 6 1 输入滤波器和输出级 输入滤波器具有1 2c 总线逻辑兼容的输入电平。输入电平小于1 5 v 时，逻辑 电平作“0 ”处理，若输入电平大于3 v 时作“1 ”处理。输入时钟和内部时钟( f o s c 4 ) 同步，可滤出小于3 个振荡周期的干扰信号。 第2 章1 2 c 总线的结构与工作原理