基于I2C总线数据写入器的设计

1  引言
    (Inter－Integrated Circuit)总线是一种用于连接微控制器及其外围设备的总线。总线最主要的优点是其简单和有效。由于接口直接在组件上，故其占用空间小，减少了电路板的空间和芯片引脚的数量，广泛用于智能化仪表。现在有的MCU已提供接口，但对于没有直接支持总线的MCU则需要用软件进行模拟。本文以AT89S52单片机为核心，与PC进行通信，实现具有总线的EEPROM AT24C04读写功能，构成一种数据写入器，用于仪器仪表等设备中表格、曲线和参数等的读写。所有程序用C语言完成。

2  单片机和PC两方的通信格式
    本设计中的数据通信格式如下:第一字节为发给MCU的命令，第二字节保留。后16字节是所要写入的数据。但在开始操作时最先发送的仅为前2字节。命令有如下几种:写命令(CMD_WRITE)、读命令(CMD_READ)、操作结束命令(CMD_OVER)、状态检查命令(CMD_CHECKOK)。
    两方的通信过程大致如下:PC发出前缀为CMD的命令，然后监听串口等待MCU返回的前缀为RSP的准备就绪的回应(写入时为 RSP_WRITEREADY;读出时为RSP_READREADY)，若超时则给出错误提示;收到该回应后进行读写操作;结束时PC发出结束命令并等待 MCU的结束回应;若正确收到该回应则提示成功，否则提示操作完成但未收到回应。在写操作中，每发送18字节进行一次确认。另外，由于读芯片中是读出的所有内容，故此时PC不发结束命令而只等待结束回应。
    在执行写操作时，PC都以CMD_WRITE为命令发送18字节的数据并等待MCU的RSP_WRITTEN。在执行读操作时，PC先接受MCU发来的以     RSP_READ为回应的18字节数据，然后再发送1个字节的命令CMD_READ。

3  I2C总线时序模拟
     本设计使用的EEPROM为AT24C04，它可用串行总线。由于89S52不直接支持总线，因此只能使用IO口来模拟的总线时序。89S52可以进行位寻址，这给时序模拟带来了方便。
(1) 通信开始信号
    根据的规程，通信开始信号是当SCL(串行时钟信号)处于高电平时在SDA(串行数据信号)上给出一个下跳沿，且下跳沿后，SCL还要维持高电平4μs。此过程可用如下代码模拟:
_SDA=1;
_SCL=1;
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
_SDA=0;  // 下跳沿
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();  // 维持SCL为高电平4us
_SCL=0;
(2) 通信停止信号
通信停止信号是当SCL为高电平时在SDA上出现一个上跳沿，且SDA上跳前的低电平应维持4us以上。此过程模拟代码和开始信号类似，在此省略。
(3) 字节传送完毕确认信号
该信号是在SDA为低电平时SCL上出现一个正脉冲，此过程可用如下代码模拟:
_SDA=0;
 _SCL=1;
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
 _nop_();
_SCL=0;
_SDA=1;
(4) 非确认信号
该信号便于控方传送停止信号，在SDA为高电平时，SCL上出现一个正脉冲，除此，模拟代码和字节传送完毕确认信号类似，不再赘述。
利用上述基本操作，并根据AT24C04的时序关系，可以写出对AT24C04进行读写的程序。由于AT24C04中的缓存是16字节，因此在读写时，均是以16字节为单位的。AT24C04总大小为512字节，其中又分了两页，在操作时还应同时指定要操作的页。

4  MCU方的通信
    进入读、写函数后，MCU都要回应PC方发来的命令，以确认准备就绪，所以在读写程序中，并不立即对EEPROM操作。数据写读的流程图如图1和图2所示。其中RSP_WRITEREADY为对写入准备好的回应，RSP_READREADY为对读出准备好的回应，RSP_READ为成功读出一段数据的回应，RSP_FIN为操作完成的回应。

图1    写入EEPROM

图2    读入EPPROM

5  PC方的串行通信
    PC方的串行通信使用类CSerialComm来完成。在PC上完成串行通信可用微软的MSComm通信控件，但这样就需要带上封装这个控件的库文件，否则程序不能独立运行。因此本设计采用以Win32 API写成的CSerialComm类来完成。
CSerialComm类继承自CIoController，封装了和串行通信相关的功能。主要成员函数功能如下:
    Open:打开指定的端口。参数指定了所要打开的端口名称，为一个字符串。这个函数打开的串口是同步的。
    SetState:设置串口的状态。参数是一个CSerialState类的指针。
    SetTimeout:设置操作的超时时间，超过了这个时间，读写操作将返回。
    CSerialComm类只提供基本的串口操作，而且不能发送窗口消息，不便于编写Windows的基于消息的程序，因此，从CSerialComm继承一个类CI2CWriter进一步封装对串口的操作，主要成员函数功能如下:
InitPort:调用了CSerialComm的Open函数来打开一个串口，并保留拥有这类对象的窗口指针，以便发送消息。
    Notify:向窗口消息，以通知当前的读写状态。
    BeginWrite，BeginRead，BeginVerify，BeginCheckMCU:分别为开始写、读、校验和检测MCU的状态。它们将产生相应的工作线程。
OpenFile:这个函数用于打开要写入到EEPROM中的文件。参数是所要写入的文件的路径名。由于AT24C04的容量是512字节，故该函数对文件的长度作了限制。[page]
(1) PC方的写入线程
    流程见图3。在写入线程被创建后，它将向MCU发送写命令CMD_WRITE，然后等待MCU的回应RSP_WRITEREADY。成功收到该回应后，写线程将以CMD_WRITE为命令向MCU发送数据，每发送一组，写线程都会等待MCU回应RSP_WRITTEN，成功收到这个回应后，写线程继续发送后面的数据。写入完成时，写线程发送写入结束命令CMD_OVER，并等待MCU回应RSP_FIN以确认完成了写操作。成功收到此回应后，将弹出提示。

图3    写入线程的流程图

    写入线程与界面线程的通信通过向界面线程发消息来实现。写入线程可发如下的消息:WM_ _WRITEOVER，WM_ _BLOCKFINISH，WM_ _COMMFAILED。
    WM_ _WRITEOVER消息提示界面线程写入已经结束。这时界面线程启用校验和读出按钮，禁用写入按钮，向消息框里加入一条写入完成的消息。
WM_ _BLOCKFINISH提示界面线程一个数据块 操作已经完成，界面线程在接收到这条消息后设置进度条，以显示当前的进度。
WM_ _COMMFAILED提示界面线程通信失败，读出按钮可用，写入不可用。
(2) PC方的读出线程
    流程见图4。在读出线程被创建后，它将向MCU发送写命令CMD_READ，然后等待MCU的回应RSP_READREADY。成功收到回应后，读线程将发送CMD_READ命令到MCU，并接收MCU返回的数据。成功收到数据后，读线程检查第一个字节是否为RSP_READ。若是，则保存收到数据，然后再次发出CMD_READ命令。如此反复，直到512字节(32个块)全部完成。

图4    PC方的读出流程图

    读出线程与界面线程的通信也是通过向界面线程发消息来实现的。读出线程可发如下的消息:WM__REA DOVER，WM_I2C_BLOCKFINISH，WM_ _COMMFAILED。其中后两个消息的意义和写线程所发的消息意义一样，所做的工作也是一样的。WM_ _READOVER提示界面线程读出已经完成，界面线程收到这条消息后，将在读出开始时被禁用的读出按钮设为可用，清除进度条并在消息框里加入一条读出完成的消息。
 
6  结束语
    以上介绍了从PC向总线的EEPROM写入数据的基本方法，它既可以经扩充后自成一个系统，比如文本阅读器，也可以作为模块用在其他系统中。对于总线时序的模拟代码则可以当成通用程序使用。

参考文献
[1] 李群芳. 单片微型计算机与接口技术(第2版). 北京:电子工业出版社,2005
[2] Jim Beveridge. Multithreading Applications  in  Win32 Pearson Education