8051单片机的I2C接口并行扩展

　　１　引　言

　　Ｉ２Ｃ总线接口器件在视频处理、移动通信等领域的应用已经非常普遍。另外，通用的Ｉ２Ｃ总线接口器件，如带Ｉ２Ｃ总线的ＲＡＭ，ＲＯＭ，Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ，ＬＣＤ驱动器等，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。随着Ｉ２Ｃ接口器件越来越广泛的应用，８０５１系列单片机与他之间的通信越来越频繁。

　　８０５１系列单片机与Ｉ２Ｃ总线接口器件通信时，８０５１的通用口与Ｉ２Ｃ总线器件的ＳＣＬ，ＳＤＡ连接。根据Ｉ２Ｃ总线数据传输协议，８０５１必须对其两个通用口进行频繁的置位、清零。根据基于５１指令系统编制的汇编程序，传送一位数据，需要９个机器周期，而对于８０５１，一个机器周期要耗费６个时钟周期，即用５４个时钟周期才能传送一位数据。如此则极大地占用了ＣＰＵ的工作时间，降低了系统的工作效率，导致Ｉ２Ｃ器件的优势难以显现。因此，有必要设计８０５１与Ｉ２Ｃ总线的专用接口电路。该接口电路能够对Ｉ２Ｃ总线上的数据进行自动收发，而ＣＰＵ只需要通过并口访问该接口电路中的有关寄存器就可以实现与Ｉ２Ｃ器件的数据交换，从而使整个系统的性能得到提高。本设计用ＶＨＤＬ硬件描述语言为工具，用ＡＬＴＥＲＡ公司的　ＭＡＸＰＬＵＳⅡ软件进行编译仿真，下载芯片为ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４－１５。

　　２　设计目标和要求

　　为了提高数据传送的速度，设计一个Ｉ２Ｃ接口电路。８０５１不直接与Ｉ２Ｃ器件交换数据，而是通过并口与该Ｉ２Ｃ接口电路交换数据，Ｉ２Ｃ总线上的数据传送也通过该Ｉ２Ｃ接口电路来完成。从而通过ＣＰＵ的外部存储器读写指令就可实现与Ｉ２Ｃ器件的数据交换，使对串口的操作用并口的方式来实现。

　　在Ｉ２Ｃ接口电路内部有一个控制寄存器ＣＩ０和一个数据寄存器ＣＩ１，即Ｉ２Ｃ接口电路占用两个地址。通过写控制寄存器ＣＩ０的内容实现对Ｉ２Ｃ接口电路的编程，读写数据寄存器ＣＩ１的内容实现与Ｉ２Ｃ器件的数据交换。在ＣＩ０中的内容定义了８０５１对Ｉ２Ｃ器件进行操作的类型（读或写）和Ｉ２Ｃ器件内地址的字节数等信息，使Ｉ２Ｃ接口电路能够识别从８０５１传来的数据是地址还是数据、８０５１将要发送数据还是接收数据以及数据的长度等。

　　如果８０５１要发送数据给Ｉ２Ｃ器件，则根据Ｉ２Ｃ总线协议，在数据ＣＩ１接收到第一个数据后启动Ｉ２Ｃ总线，然后将ＣＩ１中的数据进行并串转换后逐位发出，发出完毕后设置一个标志位，使８０５１知道可以发送下一个总线后首先写Ｉ２Ｃ器件内地址，然后进行数据接收，进行串并转换后将接收到的数据装入ＣＩ１中，再设置标志位，使８０５１知道可以读出数据。

　　根据上述设计要求，Ｉ２Ｃ接口芯片的引脚如图１所示。其中ｃｌｋ可以使用独立的时钟，使Ｉ２Ｃ总线的位传送速度远高于８０５１的位操作，从而可使Ｉ２Ｃ总线的数据传送接近并口的数据速率；ａ０是地址信号输入，ａ０＝０时进行ＣＩ０写操作，当ａ０＝１时进行ＣＩ１读／写操作；ｂｚ为标志输出位，ｂｚ＝０时，８０５１需要等待，ｂｚ＝１时８０５１可以对ＣＩ１操作。

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　　Ｉ２Ｃ接口芯片在系统中的情况如图２所示。这里８０５１对Ｉ２Ｃ接口芯片操作使用了查询方式，也可以改用中断方式

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　　３　并行接口设计的实现

　　３．１　接口设计的内部结构

　　该芯片的内部结构图如图３所示。系统由控制寄存器ＣＩ０，数据寄存器ＣＩ１，并串转换，串并转换，移位寄存器以及Ｉ２Ｃ控制模块６部分构成。

　　３．２　方式控制字

　　８０５１向控制寄存器ＣＩ０写控制字，实现对Ｉ２Ｃ接口的编程控制。ＣＩ０的控制字格式如下所示：

　　Ａ２，Ａ１，Ａ０位：对与８０５１相连的Ｉ２Ｃ器件组的片选（器件地址）。对应不同值时选择不同的器件通信。

　　Ｒ／Ｗ：用来控制８０５１对Ｉ２Ｃ器件的读写操作。１表示８０５１对Ｉ２Ｃ器件读数据；０表示８０５１对Ｉ２Ｃ器件写数据。

　　Ｍ１Ｍ０：当Ｓ＝１时的４种工作方式：

　　①Ｉ２Ｃ总线未连接，要进行写操作。

　　②Ｉ２Ｃ总线未连接，要进行读操作。

　　③Ｉ２Ｃ总线已连接，换一个Ｉ２Ｃ器件或换新地址，要进行写操作。

　　④Ｉ２Ｃ总线已连接，换一个Ｉ２Ｃ器件或换新地址，要进行读操作。

　　Ｓ：工作控制位。当Ｓ＝０时，关闭Ｉ２Ｃ总线，其他情况Ｓ＝１。

　　ＤＺＳ：指明８０５１对Ｉ２Ｃ器件读写的地址数。具体为：

　　０：８０５１对Ｉ２Ｃ器件内单字节地址读写。

　　１：８０５１对Ｉ２Ｃ器件内双字节地址读写。

　　３．３　Ｉ２Ｃ模块对Ｉ２Ｃ传输协议的实现

　　根据Ｉ２Ｃ数据传输协议，时钟为高电平时，数据线由高电平向低电平跳变，启动Ｉ２Ｃ数据传输。然后每到来一个时钟脉冲，传送一位串行数据，第８个脉冲到来后，已完成一个字节的传输，第９个脉冲时，发送应答信号。写数据时，Ｉ２Ｃ器件收到数据，发送应答信号；读数据时，８０５１收到数据，发送应答信号。数据传送过程中，时钟为高电平期间，数据线上的内容保持不变。数据传送完毕，应答结束后，需要用停止信号停止数据传输，时钟高电平时，数据线由低电平向高电　　５５平跳变来实现此停止信号。

　　Ｉ２Ｃ模块实现Ｉ２Ｃ数据传输协议。ｓｔａｒｔ信号为１时，启动数据传输；ｗｒｉｔｅ信号为１时，向Ｉ２Ｃ器件写数据，ｒｅａｄ信号为１时，向Ｉ２Ｃ器件读数据。

　　读写过程中，输出标志位ｆｌａｇ、计数器ｄｃｎｔ，控制ｅｎ的两位矢量，从而控制并串转换寄存器和串并转换寄存器的并入、移位、保持、清零操作。停止信号为１时，结束数据传输。

　　３．４　接口芯片的工作原理与控制过程

　　８０５１向控制寄存器ＣＩ０写控制字，实现对Ｉ２Ｃ接口的编程控制；向数据寄存器ＣＩ１写数据，实现对Ｉ２Ｃ接口的数据传输。

　　当ｂｚ＝１时，８０５１才对数据寄存器读写，而每次读写后接口电路自动将ｂｚ置０，在接口电路完成有关操作等待８０５１的读写时将ｂｚ置１。

　　（１）Ｉ２Ｃ总线未连接，要进行写操作。８０５１的操作：

　　①写控制字Ｗ１；②当ｂｚ＝１时写器件内地址第１字节；③当ｂｚ＝１时写器件内地址第２字节…；④当ｂｚ＝１时写第１字节…。

　　Ｉ２Ｃ的操作：

　　当接收到该控制字Ｗ１后操作为：①置ｂｚ＝１，启动Ｉ２Ｃ总线；②根据控制字中的器件地址发出第１个字节（器件选择、写）；③发送器件内地址，置ｂｚ＝１；④发送数据内容，置ｂｚ＝１…。

　　（２）Ｉ２Ｃ总线未连接，要进行读操作。８０５１的操作：

　　①电路写控制字Ｗ２；②写器件内地址第１字节；　③当ｂｚ＝１时写器件内地址第２字节…；④当ｂｚ＝１时读第１字节…。

　　Ｉ２Ｃ的操作：

　　当接收到该控制字Ｗ２后操作为：①置ｂｚ＝１，启动Ｉ２Ｃ总线；②根据控制字中的器件地址以出第１个字节（器件选择、写）；③发送器件内地址；④关闭Ｉ２Ｃ总线；⑤启动Ｉ２Ｃ总线；⑥第２次发送器件选择字节、读；⑦接收数据内容，置ｂｚ＝１…。

　　（３）Ｉ２Ｃ总线已连接，换一个Ｉ２Ｃ器件或换新地址，要进行写操作。

　　８０５１的操作：

　　①写控制字Ｗ５；②当ｂｚ＝１时写器件内地址第１字节；③当ｂｚ＝１时写器件内地址第２字节…；④当ｂｚ＝１时写第１字节…。

　　Ｉ２Ｃ的操作：

　　当接收到该控制字Ｗ５后操作为：①置ｂｚ＝１，关闭Ｉ２Ｃ总线；②启动Ｉ２Ｃ总线；③根据控制字中的器件地址发出第１个字节（器件选择、写）；④发送器件内地址，置ｂｚ＝１。

　　（４）Ｉ２Ｃ总线已连接，换一个Ｉ２Ｃ器件或换新地址，要进行读操作。

　　８０５１的操作：

　　①电路写控制字Ｗ６；②写器件内地址第１字节；　③当ｂｚ＝１时写器件内地址第２字节…；④当ｂｚ＝１时读第１字节…。

　　Ｉ２Ｃ的操作：

　　当接收到该控制字Ｗ６后操作为：①置ｂｚ＝１，关闭Ｉ２Ｃ总线；②启动Ｉ２Ｃ总线；③根据控制字中的器件地址发出第１个字节（器件选择、写）；④发送器件内地址；⑤关闭Ｉ２Ｃ总线；⑥启动Ｉ２Ｃ总线；⑦第２次发送器件选择字节、读；⑧接收数据内容，置ｂｚ＝１…。

　　４　结　语

　　扩展接口芯片设计采用ＶＨＤＬ语言实现，芯片设计的全部程序均通过ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸＰＬＵＳⅡ软件编译，仿真结果正确。编译、仿真后的ＶＨＤＬ程序经下载线下载至ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４－１５芯片，验证正确。设计的接口时钟要求６　ＭＨｚ，可直接和单片机接口连接。

　　扩展后的接口，传送一位数据只需要４个时钟周期。扩展的接口，访问Ｉ２Ｃ器件的时钟可以自行设定，他们之间的通信不需要等待８０５１。一旦８０５１的并行数据送出，该接口可立即用自己设定的速度传送。从而该接口在８０５１和Ｉ２Ｃ器件之间通信时，数据的传送可达到并行的速度，这就是本接口扩展设计的最大优点。

　　由于使用的设计软件是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸＰＬＵＳⅡ软件，下载仿真芯片为ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４该芯片延迟时间为１５　ｓ，延时时间过长；接口的设计本身对数据传输的时钟也可进一步减少，更进一步提高数据传输的速度。基于以上两点，还需要对本设计进一步优化，以期进一步提高性能与速度。