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      模擬I2C總線多主通信的通用軟件包

      時間:2024-08-16 06:10:41 理工畢業論文 我要投稿
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      模擬I2C總線多主通信的通用軟件包

      摘要:本文給出軟件模擬I2C總線應用在多主機系統中的解決方案。分析多主競爭出現原因及其時段,結合時序圖和流程圖闡述競爭仲裁的原理及實現方案,并提供通用軟件包,用戶可將其應用在實際的系統中。

      引言

      I2C是由Philips公司推出的芯片間串行傳輸總線。它以規范嚴謹、使用簡單靈活、支持的外圍器件繁多等特點而被廣泛應用。對于不具備I2C接口的主器件(通常指MCU),可利用普通的I/O口來模擬I2C總線,但由于無法解決多主競爭問題而只能應用在單主機系統中。本文提供了一種解決方案,可將模擬I2C總線應用在多主機系統中,實現模擬I2C的多主通信。

      1 模擬I2C多主通信的設計原理

      在I2C總線系統中,可以有多個主器件節點。當多個主器件節點都企圖控制總線時,就會出現多主競爭。這時就需要進行仲裁,裁決的結果只允許其中一個主器件節點成為主控器。而硬件I2C系統之所以支持多主系統,是因為其具有的三個特性:①接口的線“與”邏輯功能;②內部沖突檢測電路;③I2C中斷和狀態處理程序。這使其能夠自動完成多主競爭時的時鐘同步與總線仲裁,無須用戶介入。而在模擬I2C系統中,如果能通過軟硬件設計模擬出上述的三個特性,就等于解決了競爭仲裁與同步問題,那么模擬I2C總線就完全可以應用于多主機系統中。

      首先,經過理論分析與實驗驗證,得知并聯在一起的MCU的普通I/O口線本身就具有線“與”特性。其次,為了避免主節點在總線繁忙時啟動總線而引起的沖突,需要增加一條握手線,即BUSY線來代表總線的忙/閑狀態。因為數據線(SDA)和時鐘線(SCL)上的信號是變化的,所以不能用它們充當BUSY線。另外,當多個MCU都檢測到總線空閑,同時企圖控制總線時,將形成多主競爭狀態,同樣會引起沖突。這時就需要引入時間片,用劃分的時間片來決定競爭時各MCU占用I2C總線的優先次序。結合SDA的線“與”特性,檢測SDA上是否已經存在啟動信號(即SDA是否為0),如果直到相應的時間片結束都沒有檢測到SDA上的啟動信號,自己就可以控制總線。最后,由于模擬系統中沒有硬件I2C中斷,MCU作為從器件時不知何時開始接收總線上的數據,所以,需要提供一根I2C中斷信號線,使MCU在中斷程序中處于從接收狀態,中斷線可以與BUSY線合用。

      通過上述分析,利用三根信號線就能模擬出硬件I2C的競爭仲裁過程,實現模擬I2C的多主通信。

      2 系統連接示意圖

      三線模擬I2C總線系統的連接框圖如圖1所示。

      模擬I2C多主系統中,要參與競爭的主器件節點采用三級連接方式,如MCU(A)、MCU(B)、MCU(C);對于外圍器件節點如24C64等,因不具備主動控制I2C總線的能力,不會參與總線的競爭,所以仍可采用通用的兩線連接方式。三線模擬I2C總線中的時鐘線SCL和數據線SDA可由MCU的任意兩個I/O口線模擬;BUSY線因還要充當中斷信號線,則必須與MCU的外部中斷引腳INT0或INT1連接。

      3 時序分析及流程設計

      在檢測到BUSY=0(忙)時,不會出現競爭;但當檢測到BUSY=1(閑)到將BUSY設為0,需要的典型時間為3個機器周期。在這段時間內,別的MCU仍會檢測到BUSY=1,也認為總線空閑到企圖占用,這時就出現了競爭與沖突。競爭的時間范圍為2×3個機器周期。仲裁的方法是為每一個MCU分配一個仲裁時間片,在規定的時間片內MCU反復檢測總線中的數據線SDA是否有信號,直到時間片結束。如果沒有信號就可馬上占用I2C總線,發送起始信號;如果有信號則表示有別的高優先級的MCU要占用,該MCU退出競爭。仲裁時序圖如圖2所示。

      將BUSY設為0后的一段時間規定為仲裁時間。仲裁時間長度為(N-1)×Δt。N為I2C總線上參與競爭的MCU個數;Δt為一個時間片的長度,典型值為4個機器周期。按優先級順序給MCU分配不同個數的時間片。仲裁時序如圖2所示:假設MCU(A)優先級最高,它不必進行時間片測試,在檢測到總線空閑時直接發送起始位;MCU(B)優先級為次高,在檢測到總線空閑后,它需要等待檢測一個時間片周期Δt,在Δt期間內SDA線上沒有變化,即等待確認比它高優先級的MCU(A)不使用總線后,MCU(B)才能占用總線,發送起始信號;MCU(C)優先級最低,它需要測試等待周期2Δt,只有當MCU(A)、MCU(B)都不占用總線時(SDA一直保持為1),MCU(C)才能占用總線發送起始信號。

      在實際應用中,還要注意BUSY線所用的中斷腳INT0/INT1需初始化為開中斷,并設定為下跳沿觸發。當各MCU需控制總線進行主發送或主接收時,需先關掉INT0/INT1需初始化

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