基于单片机的多功能电能表设计.doc

山东科技大学学士学位论文 摘要摘要 本电能表系统以FM33078单片机为核心，对8户居民的用电量进行测量。8路脉冲输出电能计量芯片AD7755能够把居民的用电量转换为一定数量的脉冲，单片机对脉冲进行计数，经过一定的数学运算可以算出用电量。74HC164串入并出8位移位寄存器和LED显示器能够实时循环显示8户居民的用电量。AT24C16通过I2C总线和单片机连接，单片机将居民的用电量实时写入AT24C16，当断电时AT24C16仍能保存数据，再次上电后单片机将其保存的数据读出，从而实现掉电保护。电能表通过RS-485总线与抄表集中器相连，接收抄表集中器下达的抄表（或预付费）、清零等命令。抄表集中器内有GPRS通信模块（MC55），通过GPRS通信网与中心计算机联系，实现数据的上传或命令的下达。中心计算机根据一天中电费不同价格的时间分割点读取用户的用电量，从而可以实现电能表的复费率功能。如果在电能表外围接入电平控制的低压断路器就可以实现预付费功能（与复费率电能表的程序不同）。中心计算机将用户提前购买的电量写入电能表中，当电量减到0时，控制口（P4）动作切断供电。关键词：单片机，AD7755，GPRS，复费率，预付费ABSTRACTThe FM3307 / 8 MCU is core of the meter system which measure the power consumption of the eight residents。The power consumption of the residents can be converted to a certain number of pulses by the 8 energy measurement chip AD7755.The microcontroller count the pulses and we can calculate the power consumption after a certain mathematical operations. The 8-bit shift register, 74HC164 and the LED monitor can achieve to show the electricity consumption of the eight residents circularly. The AT24C16 connected to the microcontroller via the I2C bus.The MCU write the power consumption of the residents in AT24C16. AT24C16 can still save the data when power is broken off and the MCU will read the data out after power recovering.So the data can be saved when the power is broken.The energy meter is connected to the meter reading concentrator by RS-485 bus,receiving reading(or prepaiding) Clearing and other command. The meter reading concentrator with GPRS communication module (MC55), communicate with the center computer through the GPRS Communication network achieving to upload data or issue order.The central computer read the users electricity according to division poin of different prices in one day,thus we can realize double rate function. If the electric energy meter peripheral is accessed low voltage circuit breaker,we can realize the prepayment function ( the Program is Difference to the double rate). The center computer will write the power advanced purchased into electric energy meter, when the residual capacity reduced to 0, and the control port ( P4) act to cut off the power supply.Keywords: MCU,AT24C16 ,GPRS, double rate ,prepayment88 山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论11.1、本课题的研究背景11.2、本系统的整体结构42 脉冲输出的电能计量集成电路72.1、概述72.2、工作原理82.3、模拟输入102.4、电源监控电路112.5、高通滤波和失调影响112.6、数字频率转换112.7. 传递函数133 74HC164与LED数码显示163.1. 八位串入、并出移位寄存器74HC164163.2、LED数码管显示174 串行接口I2C总线194.1、I2C总线介绍：194.2、I2C总线的系统结构与接口204.3、I2C总线的信号与数据传输204.、I2C总线的地址与寻址 245 串行E2PROM芯片AT24CXX265.1、AT24CXX系列的基本功能265.2、AT24CXX的工作原理275.3、AT24XX接口电路296 RS485接口与应用 316.1、RS-485简介316.2、RS-485电平与TTL电平转换驱动电路316.3、多机通信 327 抄表集中器 357.1、GPRS通讯技术介绍 357.2、GPRS的网络结构 3573、GPRS技术优势377.4、GPRS工作原理 387.5、终端系统硬件设计 387.6、GPRS模块主要性能简介 397.7、GPRS通信流程 418 其他部分 438.1、光电隔离电路 438.2、稳压电源 438.3、3.3V电源的设计 448.4、LM317T稳压 459 软件部分 469.1.编程说明 .469.2、电能计量 .479.3.显示程序 499.4. 多机通信 549.5.AT24C16的读写 569.6.主程序清单 6210 总结 6411 致谢辞 6512 附录 6612.1 设计原理接线图 6612.2 外文文献翻译 6713 参考文献 86山东科技大学学士学位论文 绪论1 绪论1.1 本课题的研究背景作为测量电能的专用仪表电能表,自诞生至今已有100多年的历史。电能表又俗称电度表或千瓦时表。电能表在电能管理仪器仪表中占有很大比例,它的性能直接影响着电能管理的效率和科学化水平。100多年来随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。伴随着我国工业化进程的前进步伐，工业及居民用电急剧增加，庞大的供电网络给用电管理单位带来了巨大挑战，也给居民、工厂带来了诸多不便。为此我国在“十二五规划”中提出建设“智能电网”的解决方案，实现电网、计算机网、电信网三网融合。传统的机械式电能表及电子式电能表无论是在计量精度还是在信息传递方面都难以满足“智能电网”的需求，在这种情况下多功能电能表应运而生。多功能电能表是指具有多功能、智能化等功能的新式电表，是智能电网的基本设备之一。 多功能电能表能够更精确、更快速的完成对电能的计量任务，而且电表可以通过加密防止用户窃电，安全性更高。本课题研究的功能电能表能够让居民可以方便的完成电量缴费，用户对用电量更加清晰明了。1.1.1、机械式指示电表结构和原理图1.1 机械式指示电表的核心部分机械式指示电表的核心部分是测量机构，它包括固定部分和可动部分。当电量施加到测量机构时，机构的电场或磁场储能力图趋于最大，从而产生使可动部分偏转的力矩M。为了区别被测量值的大小,不同的量值应当有不同的偏转角,为此要设置反抗力矩Ma。机械式指示电表中常用游丝、张丝等提供反抗力矩，此力矩与偏转角成正比:Ma,系数与游丝或张丝的材料性质和结构参数有关。转动力矩M与反抗力矩Ma相等时，测量机构达到平衡状态。但由于可动部分的惯性，在达到最后静止稳定之前，可动部分将在平衡位置左右往返摆动。为了促使可动部分尽快静止，需引入与运动速度成比例的阻尼力矩1.1.2、电子式电能表电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，采用乘法器实现对电功率的测量，其工作原理框图1.2所示。被测量的高电压u、大电流i经电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器M，乘法器M完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的直流电压U，然后再利用电压频率转换器，U被转换成相应的脉冲频率f，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。电压变换器电流变换器乘法器U/F变换计数显示控制uiUFFuFi图1.2 电子式电能表工作原理框图1.1.3、智能电能表智能电能表是以最新的计算机应用技术、现代通讯技术、量测技术为基础的进行数据采集、数据处理和管理的先进计量设备。由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能的电能表。先通过对用户供电电压和电流的实时采样，再采用专用的电能表集成电路，对采样的电压和电流信号进行处理，并转换成与电能成正比的脉冲输出，最后通过单片机处理、控制，把脉冲显示为用电量并输出。电能采样电能转换（A/D转换器）模拟控制开关单片机控制系统显示联通通信用户图1.3 智能电能表工作原理框图科学技术是第一生产力，它的发展必然导致新事物淘汰旧事物。每一位科技工作者都有义务钻研各种新技术、新原理，为推动社会进步贡献自己的力量。智能电表的研究目同样是为了给人们生活带来便捷，为科技文明增砖添瓦。1.2 本系统的整体结构 本电能表系统以FM33078单片机为核心，对8户居民的用电量进行测量。8路脉冲输出电能计量芯片AD7755能够把居民的用电量转换为一定数量的脉冲，单片机对脉冲进行计数，经过一定的数学运算可以算出用电量。74HC164串入并出8位移位寄存器和LED显示器能够实时循环显示8户居民的用电量。AT24C16通过I2C总线和单片机连接，单片机将居民的用电量实时写入AT24C16，当断电时AT24C16仍能保存数据，再次上电后单片机将其保存的数据读出，从而实现掉电保护。电能表通过RS-485总线与抄表集中器相连，接收抄表集中器下达的抄表（或预付费）、清零等命令。抄表集中器内有GPRS通信模块（MC55），通过GPRS通信网与中心计算机联系，实现数据的上传于命令的下达。 中心计算机根据一天中电费价格不同的时间分割点读取用户的用电量，从而可以实现电能表的复费率功能。如果在电能表外围接入电平控制的低压断路器就可以实现预付费功能（与复费率电能表的程序不同）。中心计算机将用户提前购买的电量写入电能表中，当电量减到0时，控制口（P4）动作切断供电。FM33078P2口P1.0P1.1P1.6P1.3P3.1P3.0P1.78路AD7755将电能转换为脉冲AT24C16掉电保护74HC164+LED显示器TXDRXDMAX485RXDTXD中 心 计 算 机RS-485总线I2C总线MAX485R带有GPRS通信模块（MC55）的抄表集中器GPRS通信网RXDTXDR1R2复费率电能表模型山东科技大学学士学位论文 绪论FM33078P2口P1.0P1.1P1.6P1.3P3.1P3.0P1.78路AD7755将电能转换为脉冲AT24C16掉电保护74HC164+LED显示器TXDRXDMAX485RXDTXD中 心 计 算 机RS-485总线I2C总线MAX485R带有GPRS通信模块（MC55）的抄表集中器GPRS通信网RXDTXDR1R2预付费电能表模型电平控制的低压断路器（用于切断电费为零的用户）P4口山东科技大学学士学位论文 脉冲输出的电能计量集成电路2 脉冲输出的电能计量集成电路2.1 概述AD7755是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过了IEC1306规定的准确度要求。有关IEC1306电能表参考设计方案介绍（请参见ADI公司应用笔记AN559）。AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，这使AD7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。AD7755的引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微控制器接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与微控制器接口。AD7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路，在AVDD上升到4V之前，AD7755一直保持在复位状态。当AVDD降到4V一下，AD7755也被复位，此时F1，F2和CF都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1内的高通滤波器（HPL）是接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证AD7755在空载时没有潜动。图2.1 AD7755功能框图2.2 工作原理两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶模数转换器，过采样速率达900kHz。AD7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口（可以与传感器直接连接）。电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。2.2.1有功功率的计算图2.2 信号处理框图2.21.1不考虑功率角有功功率是从瞬时功率信号推到计算出来的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相成得到的。为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。上图示出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时有功功率信号进行低通滤波来获取有功功率，这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。2.21.2考虑功率角在工业现场 ,电流和电压信号经常存在不同相的情况 ,电流信号滞后电压信号 ,相移功率因数为cos，则利用上述从瞬时功率信号获取有功功率信息的方法（即低通滤波）也是有效的。设输入的电流信号为：i ( t)=Isin（t+）;输入的电压信号为：V ( t)=V sint；瞬时功率为：p ( t)=V I cos- cos2t /2； （1）对式 (1) 瞬时功率进行低通滤波 ,低通滤波让直流分量通过 , 滤去交流分量即可得到瞬时有功功率 .下图示出了相移功率因数（PF）等于1和0.5的两种情况，后者也就是电流信号滞后于电压信号60度。假设电压和电流波形都是正弦的那么瞬时功率信号中的有功功率分量（即直流分量）为：这是正确的有功功率计算方法。2.21.3非正弦电压和电流对于非正弦电压和电流 ,瞬时电压和电流可用富里叶变换表达成它们谐波分量之和：v(t)=V0+ i(t)=I0+ P 可以用它们的基波有功功率 P1 和谐波有功功率PH 之和表达.P = P1+ PH式中P1= V1I1cos1,1= 1- 1; PH= ； 所以由电压和电流波形提供的各次谐波都产生有功功率分量.从以上的分析可看出 ,在正弦波情况下功率因数的计算都是精确的 ,而谐波的功率因数是由一系列的正弦波组成的 ,因此谐波的功率因数和有功功率的计算也是正确。2.3 模拟输入2.3.1通道V1（电流通道）线路电流传感器的输出电压接到AD7755的通道V1，该通道采用完全差动输入，VIP为正输入端，VIN为负输入端。通道1的最大差动峰值电压应小于470mV。应当注意，通道1有一个PGA，其增益可由用户选择1，2，8或16。G1G0增益最大差动信号001470mV012235mV10460mV111630mV表 2.1 通道1的增益选择VIP和VIN引脚的最大信号电平，最大差动电压470mV，由增益选择而定。在这两引脚上的差动信号必须以一个共模端作为参考点，最大共模信号为100mV。其典型接线电路如下图所示：图2.3 通道1的典型接法2.3.2通道V2（电压通道）线路电压传感器的输出接到 AD7755的通道V2，该通道的最大差动峰值电压为660mV。加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点（通常是AGND），最大共模电压为（100mV）。然而，当共模电压为0V时能获得最好的测量结果。其典型接线电路如下图所示：图2.4 通道2的典型接法2.4 电源监控电路AD7755片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源（AVDD）进行监控。当电源电压低于4V5%时，AD7755将被复位。这对于保证上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作是有用的。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。下如图所示，电源监控电路的正常触发电平为4V，触发电平的允许误差约为5%。为保证芯片正常工作应对电源去耦，使AVDD的波动不超过5V5%。2.5 高通滤波和失调影响通道1和通道2的失调信号相乘后将产生一个直流分量。由于这个直流分量要通过低通滤波器（LPF）产生有功功率，因此失调将对有功功率产生一个固定的误差。为避免这个问题，只要把通道1中的HPF设置成选通（即引脚AC/DC置高电平）就行了。至少一个通道的失调被消除后，相乘就不会产生直流误差分量。Vcos（t）+Vos Icos（t）+Ios=(VI)/2+VosIos+ VosI cos（t）+ Ios Vcos（t）+(VI)/2 cos（2t）通道1的HPF与相位响应相关联，但它在片内已得到补偿。当HPF为选通时，相位补偿自动起作用；当HPF无效时，相位补偿也无效。2.6 数字频率转换如前所述，电流电压信号相乘后低通滤波器的数字输出包含有有功功率信息， ，这个LPF不是理想滤波器，因此输出信号仍含有经衰减的线路基波和谐波频率成分，即cos(ht)，其中h=1,2,3,4.。该滤波器的幅频响应特性为：|H(f)|=1/(1+f/8.9Hz) 在线路频率为50Hz的情况下，对2（100Hz）成分的衰减大约为22dB，这是两倍于线路频率的主谐波，即cos(2t)，这是由瞬时有功功率引起的。下图给出了LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息，即cos(2t)。这个信号通过数字频率转换器，随时间被积分（累加），进而产生输出频率。这种累加起到平均作用，将抑制了瞬时有功功率信号中的非直流成分，正弦信号的平均值等于零。因此，AD7755产生的频率与平均有功功率成正比。在稳定负载（即恒定电压和电流）条件下的数字频率转换如图所示。从图可见，即使在稳定负载条件下CF输出频率仍然随时间变化，这种频率的变化是由瞬时有功功率信号中的cos(2t)成分引起的。CF输出频率能高达F1和F2 输出频率的2048倍。CF能以较高的频率输出，是因为在对瞬时有功功率进行累加完成频率转换的过程中，采用了较短的累加世间。较短的累加世间意味着减弱了对cos(2t)的平均作用，于是部分瞬时功率信号成分通过了数字频率转换器，但这在实际应用中不成为问题。当CF用于校验时，CF输出频率还应该用频率计度器进一步平均，以消除纹波。如果CF用于带微处理器的电能计量场合，CF也应该进行平均后再计算功率。F1和F2以很低的频率输出，对瞬时有功功率已有足够的平均作用，因此大大衰减了正弦分量，获得几乎无纹波的输出。图2.5 有功功率到频率的转换2.7 传递函数AD7755通过计算通道1和通道2两个输入电压的乘积，然后对乘积进行低通滤波，获取有功功率信息。再将这个有功功率信息进一步转换成频率，以低电平有效的脉冲信号从引脚F1和F2输出。这个脉冲信号的频率是相当低的，例如，在S0=S1=1，交流输入的情况下，最高频率仅0.34Hz。这意味着，这个频率是对有功功率信号经过相当长时间累计后产生的，因此这个输出频率与平均有功功率成正比，有功功率的平均过程是隐含在数字频率转换中完成的。输出频率与输入电压大小有关，由下式确定：式中：F引脚F1，F2输出的脉冲频率（Hz）V1通道1差动输入电压有效值（V）V2通道2差动输入电压有效值（V）G1，2，8，16，取决于PGA的增益，由G0和G1的逻辑输入确定VREF基准电压（2.58%）（V）F1-4由主时钟CLKIN分频获得，分频系数由S0和S1确定S1S0F1-4（Hz）分频系数001.7013.4106.81113.6表2.2 F1-4的频率选择（CLKIN=3.579MHz）交流输入的最高输出频率总是直流输入的一半。表2.3列出了所有可能的最高输出频率。S1S0最高输出频率直流输入交流输入000.680.34011.360.68102.721.36115.442.72表2.3 F1和F2的最高输出频率脉冲输出CF端主要用于仪表校验。CF端输出的脉冲频率可高达F1和F2的输出脉冲频率的2048倍。F1-4频率选的越高，CF的倍率越高（高频方式SCF=0,S1=S0=1的情况出外）。表2.4给出了两者之间的关系，它们取决于逻辑输入S0，S1和SCF的状态。因为CF输出的频率比较高，它与瞬时有功功率成正比。如同F1和F2一样，CF输出频率也是在相乘后经低通滤波器获得的。然而，因为输出频率较高，有功功率累积的时间非常短，因此在数字频率转换过程中完成的平均作用较小。由于对有功功率信号的平均作用较小，所以CF的输出对功率波动的影响比较敏感。SCFS1S0F1-4（Hz）CF的最高输出频率（HZ）1001.7128*F1，F2=43.520001.764*F1，F2=21.761013.464*F1，F2=43.520013.432*F1，F2=21.761106.832*F1，F2=43.520106.816*F1，F2=21.7611113.616*F1，F2=43.5201113.62048*F1，F2=5570表2.4 CF的最高输出频率（交流信号）山东科技大学学士学位论文 74HC164与LED数码显示3 74HC164与LED数码显示3.1 八位串入、并出移位寄存器74HC1643.1.1. 概述74HC164是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（A或B）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CLK) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（A和B）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 ( ) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。3.1.2. 特性门控串行数据输入 异步中央复位 符合 JEDEC 标准 no. 7A 静电放电 (ESD) 保护： HBM EIA/JESD22-A114-B 超过 2000 V MM EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V 。 多种封装形式 额定从 -40 C 至 +85 C 和 -40 C 至 +125 C 。3.1.3. 逻辑图与引脚说明图3.1 74HC164的逻辑图引脚说明符号引脚说明 A1数据输入B1数据输入Q0Q336输出GND7地 (0 V)CLK8时钟输入（低电平到高电平边沿触发）9中央复位输入（低电平有效）Q4Q71013输出VCC14正电源罗3.2 LED数码管显示3.2.1 简介LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的个8数码管字样。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。LED数码管具有许多优点，它不仅有工作电压低(1.53V)、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应速度快(100ns)、亮度比较高。一般LED的工作电流选在510mA，但不允许超过最大值（通常为50mA）。 LED可以直接由门电路驱动。3.2.2共阴和共阳LED数码管几种八段编码表 显示数字共阳 共阴小数点亮小数点暗小数点亮小数点暗040H0C0H0BFH3FH179H0F9H86H06H224H0A4H0DBH5BH330H0B0H0CFH4FH419H99H0E6H66H512H92H0EDH6DH602H82H0FDH7DH778H0F8H87H07H800H80H0FFH7FH910H90H0EFH6FH表 3.1LED数码管编码表3.2.3 74HC164与LED数码管的连接电路图图3.2 74HC164与LED数码管的连接电路图山东科技大学学士学位论文 串行接口I2C总线4 串行接口I2C总线4.1 I2C总线介绍：I2C(InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方便简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。它通过双向信号线SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并通过软件寻址识别每个器件，而不需要片选线。I2C接口的标准传输速率标准模式下：100Kbps，快速模式下：400Kbps，高速模式下：3.4Mbps 。在I2C总线系统中，器件是发送器件还是接收器件由器件的功能决定。另外I2C总线接口在数据传输过程中还可以被区分为主机和从机，总线上主机和从机的关系并不是一成不变的，而是取决于当前数据传输的方向。I2C总线在数据传输时，时钟信号由主机产生，总线按照一定的通信协议进行数据交换。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，作为主控器的器件通过总线竞争获得主控权。并启动与此数据交换，每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址，所有与I2C兼容的器件都具有标准的接口，通过地址来识别通信对象，使它们可以经由I2C总线互相直接通信。I2C总线上允许挂接I2C器件的数量由两个条件决定：1).I2C从设备的地址位数。I2C标准中有7位地址和10位地址两种。如果是7位地址，允许挂接的I2C器件数量为：27128，如果是10位地址，允许挂接的I2C器件数量为：2101024，一般I2C总线上挂接的I2C器件不会太多，所以现在几乎所有的I2C器件都使用7位地址。2).挂在I2C总线上所有I2C器件的管脚寄生电容之和。I2C总线规范要求，I2C总线容性负载最大不能超过470pF。4.2 I2C总线的系统结构与接口 一个典型的I2C总线应用系统结构如图4.1所示。图中的器件假定均具有I2C总线接口，通过SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）两根连到总线上，并通过总线识别寻址。单片机SRAM或E2PROMA/D或D/A其他I2C外围设备SDASCL图4.1 典型的I2C总线应用系统结构通过I2C总线接口连接到总线的I2C器件输出端必须是漏极开路或集电极开路，连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。因此，I2C总线需要接上拉电阻，当总线空闲时，串行数据线SDA和串行时钟线SCL都处于高电平状态。总线速率越高，总线上拉电阻就越小，一般是标准模式下Rp选择10k，快速模式下Rp选取1k，I2C总线上挂的I2C器件越多，就要求I2C的驱动能力越强，Rp的取值就要越小，实际设计中，一般是先选取4.7k上拉电阻，然后在调试的时候根据实测的I2C波形再调整Rp的值。4.3 I2C总线的信号与数据传输4.3.1起始和终止信号在数据的传输过程中，必须确定数据传送的其实和结束。在i2c总线技术规范中，有严格的时序表示起始信号和结束信号（或起始信号和停止信号）。在传输数据开始前，主控器件应发送起始位，通知从器件做好接收准备；在传输数据结束时，主控器件应发送停止位，通知从器件停止接收。起始位时序：当SCL位为高位时，SDA线由高到低的转换。启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。启动信号是由主控器主动建立的，在建立该信号之前I2C总线必须处于空闲状态，总线在起始条件后被认为处于忙的状态如图所示。图4.2 起始信号停止位时序：当SCL位为高位时，SDA线由低到高的转换。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号，停止信号也是由主控器主动建立的，建立该信号之后，I2C总线将返回空闲状态，在停止条件的某段时间后，总线被认为再次处于空闲状态，并等待下一次数据传输的开始。如果产生重复起始条件而不产生停止条件，总线就会一直处于忙的状态。如图所示。图4.3 停止信号连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说，为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA采样两次。 4.3.2数据位传送与起始信号和结束信号不同，i2c总线在传输数据过程中，对传输的每一位SDA信号线上的数据在时钟信号SCL处于高电平时期必须保持稳定（SDA的高低电平状态即此时传送的数据位），只有在SCL信号线处于低电平时，SDA信号线上的电平状态才能改变，如图4.4图4.4 SDA与SCL的时序关系因此，传送数据位0和1的时序信号如下：传送数据位0时，当SCL保持低，SDA由高变低时为0。传送数据位1时，当SCL保持低，SDA由低变高时为1。I2C总线传送数据的时序如图4.4所示，4.3.3应答信号I2C总线上的数据和地址都是以8位的串行信号传送。传送时高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。发送器每发送完一个字节，在主器件产生第9时钟脉冲期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号ACK。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（），一般表示接收器接收该字节没有成功。 对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P，如图所示。图4.5 应答信号4.3.3插入等待时间与总线封锁状态如果被控器需要延迟下一个数据字节开始传送的时间，则可以通过把时钟线SCL电平拉低并且保持，使主控器进入等待状态。一旦被控器释放时钟线，数据传输就得以继续下去，这样就使得被控器得到足够时间转移已经收到的数据字节，或者准备好即将发送的数据字节。带有CPU的被控器在对收到的地址字节做出应答之后，需要一定的时间去执行中断服务子程序，来分析或比较地址码，其间就把SCL线钳位在低电平上，直到处理妥当后才释放SCL线，进而使主控器继续后续数据字节的发送，如图4.6所示。图4.6 插入等待时间在特殊情况下，如果需要禁止所有发生在I2C总线上的通信活动，封锁或关闭总线是一种可行途径，只要挂接于该总线上的任意一个器件将时钟线SCL锁定在低电平上即可。4.3.4重启动信号。在主控器控制总线期间完成了一次数据通信（发送或接收）之后，如果想继续占用总线再进行一次数据通信（发送或接收），而又不释放总线，就需要利用重启动Sr信号时序。重启动信号Sr既作为前一次数据传输的结束，又作为后一次数据传输的开始。利用重启动信号的优点是，在前后两次通信之间主控器不需要释放总线，这样就不会丢失总线的控制权，即不让其他主器件节点抢占总线。4.4 I2C总线的地址与寻址I2C总线的寻址过程通常在起始条件之后的第一个字节（器件地址）决定主机选择哪一从机。，第一个字节的高位组成了从机地址，最后一位也就是最低位决定了主机对从机的发送方向，如图4.7所示。最低位D0是表示主机即将从从机读取数据，是则表示主机会写数据到被选择的从机中。当主机发送了一个地址之后，系统中的每个器件都在起始条件之后将高位数据与本身的器件地址相比较，如果相同则地址完全匹配，从机会开放主机对其后续的操作。图4.7 起始条件后的第一个字节山东科技大学学士学位论文 串行E2PROM芯片AT24CXX5 串行E2PROM芯片AT24CXX5.1 AT24CXX系列的基本功能（1） AT24CXX的主要特点AT24C01/02/04/08/16/32/64是采用CMOS工艺制成的128/256/512/1K/2K/4K/8K8的串行E2PROM，典型的写周期为几个ms，有字节写和页写两种写入方式，页寄存器大小分为8/8/8/16/16/32/32，擦除/写入的寿命一般达10万次以上。数据保存寿命达100年以上。电源等级根据用户需要有1.8、2.5、2.7、5.0V等四种，低功耗工作电流1mA，备用状态不到10uA，较常见的有8脚DIP封装、8脚SOIC封装。（2） AT24CXX的引脚说明AT24CXX的典型封装引脚如图5.1所示 图 5.1 AT24CXX的典型封装 SCL：串行时钟输入端。在上升沿时写入E2PROM数据，在下降沿时输出E2PROM数据。 SDA：串行数据输入|输出端。 WP：写保护引脚。WP=0时，芯片正常写入操作。WP=1时，只能读存储器。 A0A1A2：地址输入引脚。 VCC：电源端。 GND：接地端。5.2 AT24CXX的工作原理（1）器件地址对于挂接在I2C总线上的多个I2C器件，CPU访问其中的某个器件时，首先是匹配器件地址，在器件地址中还包含了访问该器件的读写方向。AT24CXX的器件地址的数据格式如表5.1所示D7D6D5D4D3D2D1D01010A2A1A0R/表5.1 AT24CXX的器件地址的数据格式对于AT24C01/02/04/08/16/32/64系列芯片，存储器单元数量分别为128/256/512/1K/2K/4K/8K个字节，其地址范围的上限分别为 7FH,FFH,1FFH,3FFH,7FFH,FFFH,1FFFH,存储单元的地址寻址范围为A0A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12。在访问I2C器件时，紧跟在器件地址后要访问存储器单元地址， 对于AT24C01/02，单个字节的存储器地址已经足够表示想要访问的任何一个存储器空间。此时器件地址中的A2、A1、A0的值必须与引脚上的A2、A1、A0逻辑完全一致，才能称为其间匹配。因此2根I2C总线上最多可以挂接8个AT24C01/02器件。在访问某个器件时，CPU发出的器件地址中A2、A1、A0值与该器件引脚A2、A1、A0电平相一致，才能访问到该器件。对于AT24C04，由于存储器单元寻址时存在高位地址A8位，此时A8将借用器件地址的A0位，由于A0位悬空处理，因此，2根I2C总线上最多可以挂接4个AT24C04。相同的原理，对于AT24C08，存储器单元存储器单元高位地址A8、A9将分别借用器件地址大的A0、A1位；对于AT24C16，存储器单元高地址A8、A9、A10将分别将用器件地址的A0、A1、A2位。显然2跟I2C总线上最多可以挂接2个AT24C08或1个AT24C16。对于容量更大的AT24C32/64，显然再借用A2、A1、A0是不够的，因此紧跟在器件地址后的存储器单元地址采用2个字节，高位地址在前，低位地址在后，访问某个器件地址时CPU发出的2、1、0值必须与该器件上的2、1、0逻辑相匹配。（）接口工作时序有关AT24C的启动条件、停止条件、应答信号、非应答信号、数据的传输、数据的接收等时序，由于AT24C是标准的器件，详见部分。AT24C的写包括字节写和页写，其页写的机制存在页内地址自动增量、页面回卷等现象，但各个AT24C器件的页寄存器大小有所不同。字节写字节写的过程包括启动条件、写入器件地址、存储器单元地址、写入数据以及停止条件。由于存储器容量大的器件AT24C32