基于IIC时钟的电子打铃器的设计方案

　　在Mcs-51单片机已经被广泛使用的时候，还没有I2c协议标准。但今天，I2c已经作为IC之间的标准数据交换协议被广泛采用。没有I2c接口的Mcs-51单片机也常会涉及和标准I2c器件交换数据，所以Mcs-51模拟I2c接口的文章也常见诸报端。

　　最近，笔者为了设计一个基于I2c时钟的电子打铃器的方案，先进行了一次MCS-51模拟I2c接口操作的实战编程。原以为凭着手头的各种资料，可以轻松完成，没想到颇费了一番周折，所以特将自己获得的经验作个小结。

　　1．FG器件的硬件结构

　　I2c总线由sDA和scL两条信号线组成，其中SDA为数据线，SCL为时钟信号线。I2c总线上可以挂接SRAM、E2PROM、ADC／DAC、RTc、I／O口、DTMF、时钟芯片、温度芯片等有标准I2c接口的芯片，形成一个完备的数字化处理系统。上电时，sDA和SCL都由各自线上接的上拉电阻拉到高电平状态。

　　从上图可以看出，每一个I2c器件都有sDA出、sDA入、scL出、SCL入四个信号端口。当某一挂接在同一I2c总线的器件scL输出为低时，SCL总线就会被其拉为低。SDA总线情况也一样。

　　然而，sDA人和scL人信号端口在器件内部又是可控制的。

　　当主机启动I2C总线，并向I2c总线发送器件地址时，各个器件都会接收sDA入和SCL入信号，但只有本器件地址与接收到的器件地址信息一致的那个I2c器件才会继续接收后续的信息，其他器件则会关闭输入端口直至下一次主机启动I2C总线。

　　2．I2C传输协议标准

　　I2c总线是一条异步串行通讯总线，主机可以随时启动I2c总线，并发送器件地址与相应的从器件建立通讯联系。每一时刻，只能有主机和一个从器件占用I2C总线。。I2C传输协议允许总线上接入同一I2c总线，在多主机的I2C总线系统中，通过多主竞争的协调管理确定在某一时刻唯一的主机，其他主机则被置于从器件位置等待主机发落。本文仅涉及MCS-5l单片机与I2c从器件的数据交换，所以只模拟单个主机操作I2c从器件的过程。

　　(1)IIC器件的器件地址和内部地址

　　每一接入I2C总线的从器件都要有唯一的器件地址，器件地址是主机在启动I2c总线后发送的第1个八位二进制数据。这个八位二进制数由三部分组成：四位固有的地址编码(D7-D4)，三位引脚地址编码(D3-D1)和一位读／写选择位(1／0，Do)。

　　四位固有的地址编码是I2c器件出厂前已固化在芯片内的固定编码，是不能改变的。比如E2PROM芯片24CXX(包括各公司生产的兼容芯片)的器件地址为1010，LED驱动器sAAl064的器件地址为0111，时钟芯片PcF8563的器件地址为1010。三位引脚地址编码可以根据器件芯片引脚A2、A1、AO接电源或接地(I／0)，形成编码来确定同一总线上从器件芯片个体。24CXX芯片上都有A2、A1、A0引脚，但由于部分芯片内部占用了地址编码资源，所以部分芯片的A2、A1、A0引脚并不全有用，而是空脚。因此，一条总线上可挂接的芯片数量也不一样，24C02可以挂接8片，每一片24C02的引脚A2、A1、A0分别置位为000-111，则主机发送不同的器件地址就能分别访问到不同的24C02芯片。24C16则可看成8片24C02为一体，主机发送不同的器件地址则是访问24c16内部的不同区块。

　　24C32以上的芯片由于其内部地址编码分两字节，突破了地址编码资源11位(3位器件地址+8位内部地址)的限制，因此总线容量也获得了扩充。

　　器件芯片内部都有一定量的数据存储单元，这就要由内部地址编码(也称子地址)来确定了。一般的I2c器件的内部地址编码为1个八位二进制数据(A7～AO)，可编址256字节。如果不够就需要两字节来表示：高字节(A15～A8)和低字节(A7-AO)。还不够的话，还可以扩充。可以看出I2C协议是有很强的生命力的。

　　(2)内置地址计数器

　　为了方便对IIC器件内部数据存储单元的读写操作，24Cxx芯片内部还内置了一个地址计数器。在读写一个字节完成后，地址计数器自动加1。这样在第一字节读写完成后，第二次进行读写时，地址计数器已经指向下一个存储单元。在读取数据时，先发送起始单元地址，然后可以连续读取任意个字节，直到地址计数器达到最大值翻转到0，进行下一轮计数。例如24C16(内部地址编码范围000H～7FFH)先发送起始单元地址005H，然后连续读取7FFH个字节，则前7FAH个字节为005H～7FFH单元内容，最后5个字节则是000H～004H单元内容。

　　但是，进行写入数据操作时，则地址计数器仅限于低三(或四、五、六)位。以24C01为例，当它计数到1000B时，实际上并没有发生进位，而是又回到000B开始下一轮计数。所以，如果是单字节写，可靠的方式是发送写入数据前，都先发送欲写入单元的地址编码。如果是写入连续的单元(也称页写)，则先发送起始单元地址，然后发送要写入的n个字节。24COI／02／04／08／16／32／64／128／256每次可连续写入字节数分别为8／16／16／16／16／32／32／64／64个。但这是起始单元地址为0时的连续个数，如果起始单元地址不是0，则实际这些字节的存储位置是不连续的。例如24C16(内部地址编码范围000H～7FFH)先发送起始单元地址005H，然后连续写入16个字节，则前11个字节写入了005H～OOFH单元，最后5个字节被写入了000H～004H单元。如果连续写入17个字节，则005H单元所存的第1个字节内容又被最后的第17个字节覆盖，造成第1个字节内容丢失。

　　这是页写方式让人较难理解的地方。

　　(3)读写IIC器件的一般过程

　　每一次读写I2C器件前，主机都要先启动。I2C总线，如图2所示。在时钟线scL为高电平时，数据线sDA由高电平向低电平变化即启动了I2c总线，一般称此过程为起始信号s。接着，主机将向I2c总线发送第1个八位二进制数据——器件地址(包括最后一位“读写选择位”)。如果被访I2c器件确认自己被选中，将在主机发出第9个scL时钟信号时将SDA拉向低电平，形成一个应答信号AcK。此时，主机将sDA置高电平，等待被访I：c器件送回的应答信号。收到应答信号后，主机开始执行相应的读写操作。

　　一次读写完成后，主机发出终止信号P，所有I2C器件都将恢复sDA和scL为高电平的初始状态，如下图所示。在时钟线SCIJ为高电平时，数据线sDA由低到高的电平变化即停止了I2c总线数据传送。

　　根据器件地址最后一位“读写选择位”的不同，可以分为读和写两种情况。但如前所述，读和写在操作上还是有所不同的。下面分字节读、顺序读、字节写、页写四种情况分别叙述。

　　主机每发送完一个字节，都有一个将sDA置高电平，等待被访I2c器件送回的应答信号过程，以下过程中将此省略，实际过程中是不可省略的，特作说明。同样，主机接收完IIC器件发来的1字节数据后，也会向I2c器件发出一个信号，即到第9个scL时钟时将SDA拉为低电平(相当于第九位为0)，如下图。

　　送出的1个字节数据→发出终止信号P。

　　如果读取前未发送子地址，则读取的将是上一次读写完成后指向的下一字节内容。这一点同样适用于顺序读过程。需要注意的是，发送子地址前发送的器件地址末位应为0，属于写操作，这是比较容易出错的。

　　顺序读先发送要读取单元的子地址：发出起始信号s→发送器件地址(末位为0，写操作)→发送子地址→发出终止信号P；再发送读取命令：发出起始信号s→发送器件地址(末位为1，读操作)一接收I2c器件送出的1个字节数据一发出应答信号ACK→重复接收和应答信号直至读取完所要读取的字节→发出终止信号P。

　　读取完所要读取的字节后，可以在读取最后一个字节的第9个SCL时钟时将sDA置高电平(相当于第九位为1，称为反态应答位)，等于明确告知I2c器件本次读取已经结束。

　　字节写先发送子地址再发送要写入的数据：发出起始信号s→发送器件地址(末位为O，写操作)→发送子地址→发送要写入的数据→发出终止信号P。

　　页写先发送起始子地址再连续发送要写入的数据：发出起始信号S→发送器件地址(末位为0，写操作)→发送起始子地址→发送要写入第一个的数据→重复发送直至发送完所要连续写入的字节(不同器件可连续写入字节数有不同的限制)→发出终止信号P。

　　要写入的字节超过器件可连续写入字节数时，应通过循环调用页写过程，逐批将要连续写入的字节写完。

　　3．MCS-51模拟I2C接口

　　理解了I2C传输协议标准，我们就可以使用Mcs一51单片机的两根口线与I2c器件的SDA和scL引脚连接，用软件模拟I2C传输协议对I2c器件进行读写操作了。需要注意的是，I2C器件在Mcs-51系统中只能算比较快的设备，标准的传送速率为最高不大于100kbps，SCL低电平时段应保持4．7μs以上，高电平时段应保持4．0μs以上。因此，程序中应加入延时子程序，以满足I2C器件的反应速度。

　　为了读者能更方便地开发和使用I2C，在本刊的网站(W3NW．eleworld．eom)上给出了Mcs-5l模拟I2c接口的标准完整程序，并编写了一个配套的vB程序。通过RS232串口连接到MCS-5l串口，可以方便地在计算机上读写任何I2C器件。

　　以89C2051和24Cxx连接为例，如上图方式连接，P1．7为scL线，P1．6为sDA线。89C2051的串口通过MAX232与计算机RS232串口三线连接。将模拟I2c接口的I2c 51．asm文件编译后，烧录Mcs-51单片机的程序存储器，即可在计算机上读写接入的I2C器件。

　　下面介绍vB程序的使用方法。打开I2c读写器．EXE，主界面如上图所示。首先设置串口号、波特率、数据位数，默认的字节读先发送要读取单元的子地址：发出起始信号s→发送器件地址(末位为0，写操作)→发送子地址→发出终止信号P；再发送读取命令：发出起始信号S→发送器件地址(末位为1，读操作)→接收I2c器件设置为“COMl：4800,n,8，1”。

　　点击“设置串口号、波特率、数据位数”按钮，出现如上图所示的对话框。设置结束，可以点击“测试”按钮进行串行线通讯测试。连接和设置正确的话，测试信息框里将出现“通讯正常!”的提示。连接经测试无误，即可进行读写I2C器件的操作。

　　选择要读取的I2C器件，如果列表框中没有该器件，还可以点击“添加器件”按钮自助添加。点击“读取”按钮，出现如上图所示的“输入读取范围”对话框。输入欲读取的单元块的起始地址和结束地址，点击“确定”，相应单元块的数据内容即会显示在主窗体的文本框中。起始地址和结束地址有十六进制和十进制两种表示方法，使用任一种进制输入，程序将自动转化，方便用户使用。

　　同样，在主窗体的文本框中输入如“01 F5 7D”的十六进制数据，点击“写入”按钮即可将数据写入I2c器件的指定单元中。不同的是，写入时的结束地址是由起始地址和写人数据个数自动生成的，用户仅需输入起始地址即可。写入数据将被分成八字节以内的小块，逐批发送到51单片机串口并有延时，以保证正确写入I2c器件。

　　点击“保存”按钮，可以将显示在文本框里的数据内容保存为Hex或Bin文件格式。

　　点击“发送文件”按钮可以将Hex或Bin文件格式的数据内容写入I2c器件的指定单元块中。

　　4．结束语

　　本文对I2c器件的硬件结构、接口协议进行了详细分析，并以此为基础给出了没有Izc接口的Mcs-51单片机模拟I2c操作的程序实例。同时，还提供了一个在计算机上读写I2c器件的实现方案，希望对想利用I2c器件进行开发的读者有一些帮助和启示。