8051片上可编程系统原理及应用课件第9章i2c总线模块

1、第9章 I2C总线模块 何宾 2011.12本章内容 本章主要是介绍PSoC3内的I2C总线模块，其内容主要包括：I2C总线模块概述、I2C总线实现原理、I2C总线寄存器及操作、I2C总线操作模式和I2C模块通信的实现。 I2C总线模块是PSoC3所提供的一个重要功能单元，通过本章内容的学习，不仅能了解和掌握I2C总线模块的工作原理，还能掌握使用PSoC3实现I2C总线模块通信的方法。I2C总线模块-I2C总线模块概述 I2C外设提供了同步两线接口用来与PSoC设备进行连接，I2C总线与Philip的I2C规范V2.1版本兼容。额外的I2C接口能通过使用UDB进行例化。 图 I2C总线模块图I

2、2C总线模块-I2C总线模块概述典型的I2C总线结构 当在单板上有多个设备或者小的系统构成一个网络时，系统能被设计使用一个单主设备和多个从设备，多个主设备，或者多个主和从设备的连接。I2C总线模块-I2C总线模块概述 为了减少CPU对I2C总线操作的干预，I2C外设提供了特定支持。这个特定支持用于状态检测和帧比特位的生成。 I2C操作模式有从模式，单主模式或多主模式。从模式下，总是监听开始条件，用于开始发送或接收数据。在主模式下，产生开始和停止条件，并初始化交易。多主模 式提供时钟同步和仲裁允许总线上有多个主设备存在。如果 使用主模式，不能使用从模式，模块不产生中断。 I2C接口通过DSI布线

3、允许直接连接到任意的GPIO或者SIO引脚。I2C总线模块-I2C总线模块概述 I2C提供了检测7位硬件地址的功能，而不需要CPU的干预。当I2C的7位地址匹配时，能从休眠模式中唤醒PSoC。如果要求唤醒模式，那么I2C连接被限制在两个特殊的SIO引脚上。I2C总线模块-I2C总线模块概述 PSoC的I2C接口主要特性包含：主和从，发送器和接收器操作；用于低CPU开销的字节处理；中断或者轮询CPU接口；支持总线速度最高为1Mbps（3.4Mbps在UDB内）；7或10位寻址（10位寻址要求固件支持）；支持系统管理总线（System Management Bus,SMBus）操作（通过固件支持-

4、UDB内支持SMBus，这种总线基于I2C总线）；7位硬件地址比较；地址匹配从低功耗模式唤醒。I2C总线模块-I2C总线实现原理 I2C总线由Philips半导体公司（现在为NXP）所提供的一种简单的方法，允许多个设备在一个总线上直接的互相通信。I2C总线特点包括：只使用两根线：（1）串行数据（SDA）；（2）串行时钟（SCL）；串行的8位数据传输，标准模式下最大速度为100kbps；快速模式下最大速度400kbps；快速加模式下最大速度1Mbps；高速模式下最大速度3.4Mbps。I2C总线模块-I2C总线实现原理 使用集电极开路或者开漏级，通过上拉电阻将设备连接到总线上（线“与”功能）。每

5、个连接到总线的设备有独一无二的地址。存在简单的主/从关系；支持多主模式，当两个设备同时初始化数据传输时，使用冲突检测和仲裁。I2C总线模块-I2C总线实现原理 如下图所示，给出了一个典型的I2C总线的传输过程。该过程主要包含以下几步： I2C总线传输I2C总线模块-I2C总线实现原理 1. 主设备控制SCL线，产生一个开始（Start）条件，后面跟着数据字节。数据字节包含7个从设备地址和一个读/写（RW）位。该位设置相对于主设备的数据传输方向。高为读，低为写。 2从设备识别它的地址，并且在第9位的时间间隔内，通过将数据线拉低产生应答(ACK)字节。如果从设备没有用ACK响应第1个字节，主设备产

6、生停止（Stop）条件来终止数据的传输。一个重复的启动条件将用于重新的尝试传输；I2C总线模块-I2C总线实现原理 3主设备发送或接收（取决RW）中间的字节。 4当数据传输结束时，主设备产生停止条件。 当接收设备需要时间将接收的数据存储或者准备要发送的数据时，从设备可以将SCL线拉低，这样就使得主设备进入等待状态。注意有些主设备不支持这种等待方式。I2C总线模块-I2C总线寄存器及操作 I2C寄存器及功能寄存器功能I2C_CFG配置-基本的操作模式，过采样率和中断选择I2C_XCFG配置-配置扩展特性I2C_CLK_DIV1I2C_CLK_DIV2时钟分频-设置波特率I2C_CSR控制/状态-

7、用来控制数据字节流，和在传输过程中跟踪总线状态I2C_MCSR主模式控制/状态-实现I2C组帧控制和提供总线状态I2C_ADR从设备地址-用于硬件识别从设备地址，保持7位从设备地址I2C_D数据-提供对数据移位寄存器的读/写访问I2C总线模块-I2C总线寄存器及操作 I2C总线接口的操作步骤包括：1）设置I2C_XCFG的第7位，打开I2C接口；2）按照下表，布线SDA和SCL到期望的引脚对；3）按照下表，设置寄存器I2C_CFG的第2位和I2C_CLK_DIV1和I2C_CLK_DIV2寄存器； 4）使能期望的操作模式。 注：所使用的端口引脚必须配置成“开漏，驱动低”模式（模式4）。SIO引

8、脚更适合这种应用，这是因为SIO引脚有高电流吸收能力和过电压容限。 引脚对端口引脚寄存器设置I2C0P124,5I2C_XCFG6=1，I2C_XCFG7=0I2C1P120,1I2C_XCFG6=1，I2C_XCFG7=1任何其他GPIO/SIO对可选择I2C_XCFG6=0，根据选择的引脚对设置其它DSI和GPIO寄存器I2C总线模块-I2C总线寄存器及操作 波特率的设置波特率=总线时钟频率/（时钟分频因子*过采样率）I2C总线模块- I2C总线操作模式 I2C元件支持I2C从，主，多主和多主/从配置模式，下面将介绍这些操作模式。 当元件配置为多主/从配置时，在从和多主直接的切换是自动完成

9、的。 通常，设备在从模式，直到一个主API函数调用产生开始序列。硬件然后又处于从模式，直到产生停止序列为止，即此时转为主模式，随后又进入从模式状态。I2C总线模块- I2C总线操作模式 由于I2C硬件被中断所驱动，因此要求使能全局中断。即使这个元件要求中断，设计者不需要添加任何代码到中断服务程序中（ISR）。模块独立于代码而服务所有的中断。 为这个接口(在应用程序和I2C主设备之间)分配的存储器缓冲区是非常简单的双口存储器。I2C总线模块- I2C总线操作模式I2C接口可以产生中断的三个条件包括：1字节传输完毕；2检测到I2C总线开始和停止条件；3检测到I2C总线错误；I2C总线模块- I2C

10、总线操作模式（从模式） 从操作接口有存储器内的两个缓冲区构成。下图给出了从缓冲区的结构。 从缓冲区的结构I2C总线模块- I2C总线操作模式（从模式） 一个是用于数据从主设备写道从设备，另一个是保留着被主设备读取的数据。注意这里的读写是从I2C主设备的角度定义的。I2C从设备的读和写缓冲区通过下面的命令设置：void I2C_SlaveInitReadBuf(uint8 * rdBuf, uint8 bufSize) ；void I2C_SlaveInitWriteBuf(uint8 * wrBuf, uint8 bufSize) ；I2C总线模块- I2C总线操作模式（从模式） 这些命令不分

11、配存储器，只是复制数组指针和大小到内部的元件变量。由于元件不能自动地生成缓冲区，所以用于缓冲区的数组必须被程序初始化。可以使用相同的缓冲区用于读写缓冲区，但是必须正确的管理数据。I2C总线模块- I2C总线操作模式（从模式） 上面函数的bufSize小于或者等于实际的数组大小，但不能大于指向rdBuf或者wrBuf的可用的存储空间。 任何时候，传输的字节可以通过调用I2C_SlaveGetReadBufSize或者I2C_SlaveGetWrite BufSize函数得到。 读写超过缓冲区大小将引起溢出错误。错误将在从状态字节中进行设置，可以调用I2C_SlaveStatus得到。I2C总线模

12、块- I2C总线操作模式（从模式）复位指针到数组的开始，可以调用下面的命令：void I2C_SlaveClearReadBuf(void) void I2C_SlaveClearWriteBuf(void) I2C多次的读或者写缓冲区，将增加数组的索引值，直到使用清除命令。下图给出了执行两个写交易后的情况。I2C总线模块- I2C总线操作模式（从模式） 两次写交易后的情况I2C总线模块- I2C总线操作模式（从模式） 当第二次交易的6个字节写完后，从设备给出NAK信号，表示到达缓冲区的结尾。如果主机继续写，则后续交易被放弃，产生NAK信号。 读或写缓冲区有四个状态位来描述信号传输的完成，传输

13、正在进行，缓冲区溢出，传输错误。当传输开始时，设置忙标志。当结束时，设置传输完成标志，同时清除忙标志。 I2C总线模块- I2C总线操作模式（从模式）下面给出这种操作模式下的一段代码：uint8 wrBuf10; uint8 userArray10; uint8 byteCnt; I2C_SlaveInitWriteBuf(uint8 *) wrBuf, 10); /* Wait for I2C master to complete a write */ for(;1;) /* loop forever */ /* Wait for I2C master to complete a write

14、 */ if(I2C_SlaveStatus( ) & I2C_SSTAT_RD_CMPT ) byteCnt = I2C_SlaveGetWriteBufSize( ); I2C_SlaveClearReadStatus( ); For(i=0; I byteCnt; i+) userArrayi = wrBufi; /* Transfer data */ I2C_SlaveClearWriteBuf( ); I2C总线模块- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 主和多主操作是类似的，但有两点例外。 1）当操作在多主模式下，总线总是检查是否处于忙状态，因为其它主设备可能正在和其它从设备

15、通信。在这种情况下，程序必须等待直到当前的操作完成，下一个开始交易启动以前。 2）当操作在多主模式下，可以在同一时刻两个主设备同时启动。如果这种情况发生的话，两个主设备中的一个将要放开仲裁权。每个字节传输后，必须检查该条件。元件将自动检查这个条件，如果丢失仲裁权，则响应这个错误。I2C总线模块- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 当工作在I2C主设备模式下，有两个操作选项：manual和automatic。在Automatic模式，创建一个缓冲区来保持整个传输，在写操作下，缓冲区将重新用将要发送的数据进行填充。如果数据从从设备中读出，分配需要最小包大小的缓冲。 在自动模式下，写一个数组

16、字节到从设备，使用下面的函数：uint8 I2C_MasterWriteBuf (uint8 SlaveAddr, uint8 * wrData, uint8 cnt, uint8 mode) 其中：SlaveAddr是从设备7位的地址变量，范围0-127。 I2C总线模块- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 在自动模式下，从从设备读一个数组的字节，使用下面的函数：uint8 I2C_MasterReadBuf (uint8 SlaveAddr, uint8 * wrData, uint8 cnt, uint8 mode) 这两个函数均返回状态值。 I2C总线模块- I2C总线操作模式

17、（主/多主操作模式 ）下面给出了写从设备的一段代码： I2C_MasterClearWriteStatus(); /* Clear any previous status */ I2C_MasterWriteBuf(4, (uint8 *) wrData, 10, PLETE_XFER); For(;1;) if(I2C_MasterClearWriteStatus() & I2C_MSTAT_CMPLT ) /* Transfer complete */ break; I2C总线模块- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 元件也可以工作在手工模式下，在这种模式下使用各自的命令完成写操作

18、的每一部分。下面给出了在手工模式下写从设备的代码： I2C_MasterClearWriteStatus(); status = I2C_MasterSendStart(4, I2C_WRITE_XFER_MODE); if(status = I2C_MSTAT_CMPLT) /* Check if transfer completed without errors */ /* Send array of 5 bytes */ for(i=0; i5; i+) status = I2C_MasterWriteByte(userArrayi); if(status != I2C_MSTAT_CM

19、PLT) break; I2C_MasterSendStop(); /* Send Stop */ I2C总线模块- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 手工读操作和写操作是类似的，除了最后一个字节需要被NAK。下面给出了手工模式下的读从设备的操作。 I2C_MasterClearWriteStatus(); status = I2C_MasterSendStart(4, I2C_READ_XFER_MODE); if(status = I2C_MSTAT_CMPLT) /* Check if transfer completed without errors */ /* Read ar

20、ray of 5 bytes */ for(i=0; i5; i+) status = I2C_MasterWriteByte(userArrayi); if(i 所有程序-Cypress-PSoC Creator 2.0-PsoC Creator 2.0。打开PSoC Creator软件； 2在PSoC Creator 2.0软件的主界面下，选择File-New-Project.； 3在New Project窗口，选择Empty PSoC3 Design模板，并将工程命命名为I2C。选择工程保存路径，点击“OK”按钮； I2C模块通信的实现-添加并配置I2C主模块 下面给出添加并配置I2C主

21、模块的步骤，主要步骤包括： 1拖动并且放置I2C主模块元件到原理图内(Components Catalog-Communcation- I2C-I2C Master(Fixed Function)。 2双击理图内的I2C主模块，打开配置窗口，如图9.6，I2C主模块的参数配置如下： Name：I2C_MMode：MasterData Rate：100Implementation: Fixed Function;I2C模块通信的实现-添加并配置I2C主模块图9.6 I2C主模块配置界面3点击“OK”按钮，关闭配置界面。I2C模块通信的实现-添加并配置I2C从模块 1拖动并且放置I2C从模块元件到

22、原理图内(Components Catalog-Communcation- I2C-I2C Slave(UDB)。 2双击理图内的I2C从模块，打开配置窗口，如图9.7，I2C从模块的参数配置如下：Name：I2C_SMode: SlaveSlave Address:4Implementation: UDBAddress Decode: HardwareUDB Clock Source: External Clock其它按照默认参数配置I2C模块通信的实现-添加并配置I2C从模块图9.7 I2C从模块配置界面3点击“OK”按钮，关闭配置界面。 I2C模块通信的实现-添加并配置数字输入引脚 1拖

23、动并且放置两个数字输入引脚元件到原理图内(Components Catalog-Port and Pins- Digital Input Pin。 2双击Pin_1，打开配置窗口，如图9.8，Pin_1数字输入引脚参数配置如下：Name：Pin_WriteSwitch不选中HW Connection；General标签下：Drive Mode：Resistive Pull UpInitial State：High（1） Input标签下：Interrupt：Falling Edge图9.8 数字输入引脚配置界面I2C模块通信的实现-添加并配置数字输入引脚 3双击Pin_2，打开配置窗口，Pin_2数字输入引脚参数配置和Pin_1配置基本一样，只是名字为：Name：Pin_ReadSwitchI2C模块通信的实现-添加并配置中断控制器 1拖动并且放置两个中断控制器元件到原理图内(Components Catalog-System- Interrupt。 2双击isr_1，打开配置窗口，如图9.9，isr_1中断控制器参数配置如下： Name：isr_WriteSwitchInterruptType：DRIVED 3双击isr_2，打开配置窗口， isr_2中断控制器参数配置如下：Name：isr_ReadSwi