王九龍 鄭貴金

(綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061)

基于proteus的C51單片機(jī)I2C總線的實(shí)現(xiàn)

王九龍 鄭貴金

(綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061)

I2C總線是由Philips公司設(shè)計(jì)的一款具有兩根接口的總線，其中一個(gè)接口為SCL，為時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)接口為SDA，是數(shù)據(jù)信號(hào)，這種總線具有很多有優(yōu)點(diǎn)，如：接口線的數(shù)量少，通信速度比較快等。由于80C51系列單片機(jī)并沒(méi)有配置I2C總線接口，給I2C總線的使用帶來(lái)了不便。文章分別通過(guò)C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言分別對(duì)I2C時(shí)序進(jìn)行編程，模擬了I2C總線在芯片間的通信。并在proteus軟件上進(jìn)行了讀寫(xiě)仿真驗(yàn)證。

I2C 總線；proteus；數(shù)據(jù)傳輸；AT24C04

一、I2C總線的架構(gòu)

I2C總線是能夠自動(dòng)找尋從器件的地址、使得較高速率設(shè)備與較低速率的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)同步傳輸和優(yōu)化的挑選需要的從器件進(jìn)行高性能數(shù)據(jù)傳送的總線。這種總線是以串行的方式在主期間與從器件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的。I2C總線有兩根可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送的端口，一個(gè)端口是SDA，另一個(gè)端口是SCL[1-2]。其中，SCL負(fù)責(zé)時(shí)鐘信號(hào)的輸入，用來(lái)控制數(shù)據(jù)雙向傳送的時(shí)間順序，SDA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的串行輸入，互相連接設(shè)備的所有數(shù)據(jù)端口均懸掛在此線上。圖1為所示I2C的架構(gòu)。

圖1 I2C總線的架構(gòu)

二、I2C總線的時(shí)序及程序?qū)崿F(xiàn)

（一）I2C總線的典型信號(hào)及實(shí)現(xiàn)。I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸有嚴(yán)格的時(shí)序要求，但主要包括以下四種典型信號(hào)：1）起始信號(hào) S，2）終止信號(hào) P，3）發(fā)送應(yīng)答信號(hào)(0)，4）發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)(1)[3-4]。如圖2所示。

圖2 起始信號(hào)、終止信號(hào)、發(fā)送應(yīng)答信號(hào)、發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序

1.起始信號(hào)S。起始信號(hào)是用來(lái)啟動(dòng)該總線的，為了保證起始信號(hào)有效，需要嚴(yán)格按照?qǐng)D2所示的時(shí)間順序進(jìn)行，其中兩種信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，均不能低于圖中所標(biāo)示的時(shí)間。實(shí)現(xiàn)程序如下：

2.終止信號(hào)P。終止信號(hào)是用來(lái)釋放該總線的，為了保證終止信號(hào)有效，需要嚴(yán)格按照?qǐng)D2所示的時(shí)間順序進(jìn)行，其中兩種信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，均不能低于圖中所標(biāo)示的時(shí)間。實(shí)現(xiàn)程序如下：

3.發(fā)送應(yīng)答信號(hào)(0)。從器件通過(guò)接受應(yīng)答信號(hào)通知主器件，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)已被成功接受。只有嚴(yán)格按照?qǐng)D中所標(biāo)示的時(shí)間順序進(jìn)行且兩種信號(hào)的持續(xù)時(shí)間均不低于所標(biāo)注的時(shí)間，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)才有效。實(shí)現(xiàn)程序如下：

4.發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)(1)。從器件通過(guò)接受非應(yīng)答信號(hào)通知主器件，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)接受失敗。只有嚴(yán)格按照?qǐng)D中所標(biāo)示的時(shí)間順序進(jìn)行且兩種信號(hào)的持續(xù)時(shí)間均不低于所標(biāo)注的時(shí)間，發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)才有效。實(shí)現(xiàn)程序如下：

（二）I2C總線的讀寫(xiě)傳輸格式。

1.主機(jī)的寫(xiě)操作格式。首先，主機(jī)會(huì)先發(fā)出起始信號(hào)S，從而使得I2C總線啟動(dòng)；之后進(jìn)行從器件的選擇，會(huì)下發(fā)一個(gè)控制字節(jié)；剛才被選中的從器件在進(jìn)行確認(rèn)地址后，會(huì)在SDA線上發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，以回復(fù)主器件。主機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)后開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送。傳送數(shù)據(jù)開(kāi)始后，主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)內(nèi)容以確認(rèn)寫(xiě)入地址，當(dāng)主機(jī)接收到從器件發(fā)送回來(lái)的應(yīng)答信號(hào)之后，主機(jī)開(kāi)始一個(gè)個(gè)發(fā)送需要傳送的字節(jié)的每一位（從高位到低位）。每完成一個(gè)數(shù)據(jù)需等待一個(gè)回答。當(dāng)主機(jī)發(fā)送了P信號(hào)后，總線的控制權(quán)將被交出，終止操作[5]。如圖3。

圖3 主機(jī)寫(xiě)操作格式

2.主機(jī)的讀操作格式。對(duì)從機(jī)進(jìn)行讀出時(shí)，主機(jī)須先發(fā)送一個(gè)對(duì)該從器件的控制字節(jié)即“偽寫(xiě)”。偽寫(xiě)的目的是選擇讀出從器件，從器件確認(rèn)是自己的地址后，在總線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)作為響應(yīng)。隨后，主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)以確定讀出首地址，主機(jī)收到從器件的應(yīng)答信號(hào)后，重復(fù)一次起始信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳送方向確定為“讀出”。收到應(yīng)答信號(hào)后開(kāi)始讀取各字節(jié)。每讀取一個(gè)字節(jié)，主機(jī)都要回復(fù)應(yīng)答信號(hào)。直到所有的數(shù)據(jù)讀取完后，主機(jī)將返回一個(gè)“非應(yīng)答信號(hào)(0)”，以通知從器件所有的數(shù)據(jù)均以讀取完畢，隨后，主機(jī)將會(huì)發(fā)出一個(gè)P信號(hào)，總線的控制權(quán)將被交出，結(jié)束操作[6]。如圖4。

圖4 主機(jī)讀操作格式

三、89C51單片機(jī)的I2C總線硬件搭建

為了模擬I2C總線在89C51系列單片機(jī)背景下芯片間的通信。本文在proteus上搭建了AT89C51單片機(jī)與AT24C04C的通信模型[7]。AT24C04 E2PROM是典型的I2C總線接口器件，容量為512B[8-9]。仿真電路模型如圖5所示。

圖5 AT89C51與AT24C04C通信仿真電路

仿真電路包含復(fù)位電路、晶振電路、I2C通訊部分電路與輸出電路四部分。利用P1.4口輸出SCL時(shí)鐘信號(hào)，利用P1.5口輸出SDA數(shù)據(jù)信號(hào)[10-11]。

四、AT89C51單片機(jī)模擬I2C的仿真運(yùn)行

在上文給出的通信仿真電路上，模擬AT89C51與AT24C04C通信[12-13]。

（一）模擬AT89C51單片機(jī)向AT24C04C內(nèi)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。通過(guò)控制SCL時(shí)鐘線與SDA信號(hào)線，預(yù)將16個(gè)十六進(jìn)制數(shù)分別寫(xiě)入AT24C04C的0x00～0x0f單元中。對(duì)應(yīng)單元的內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 16個(gè)單元內(nèi)的16個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)照表

仿真運(yùn)行后，AT24C04C0x00～0x0f單元的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖6 仿真后AT24C04C中0x00～0x0f單元的數(shù)據(jù)

由此可見(jiàn)，AT24C04C的0x00～0x0f單元內(nèi)的數(shù)據(jù)與預(yù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)內(nèi)容一致，AT89C51單片機(jī)向AT24C04C內(nèi)寫(xiě)入數(shù)據(jù)仿真成功。

（二）模擬AT89C51單片機(jī)從AT24C04C內(nèi)讀出數(shù)據(jù)。將剛剛寫(xiě)入的16個(gè)數(shù)據(jù)從AT24C04C內(nèi)部讀入89C51單片機(jī)[14]，并由P2.0口輸出，驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的8個(gè)LED等閃爍，根據(jù)讀出數(shù)據(jù)可知，將產(chǎn)生流水燈的效果。P2口的字節(jié)地址為0xa0，當(dāng)然，也可從C51的特殊功能寄存器（SFR）內(nèi)讀該數(shù)據(jù)。如圖7、如圖8所示。

圖7 P2口輸出0x04時(shí)，對(duì)應(yīng)的仿真現(xiàn)象

圖8 89C51單片機(jī)SFR的0xa0中同一時(shí)刻數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，89C51單片機(jī)所讀數(shù)據(jù)與所寫(xiě)數(shù)據(jù)一致，AT89C51單片機(jī)向AT24C04C內(nèi)讀出數(shù)據(jù)仿真成功。

五、總結(jié)

本文通過(guò)proteus搭建了AT89C51單片機(jī)與AT24C04C芯片進(jìn)行I2C通信的仿真電路，經(jīng)proteus仿真通信模型驗(yàn)證后，表明數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取均能順利完成。在C51系列單片機(jī)沒(méi)有I2C總線的情況下，成功模擬出I2C總線在芯片間的通信。并使用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言編寫(xiě)出I2C的4種典型時(shí)序及其數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)格式。經(jīng)驗(yàn)證，程序簡(jiǎn)潔有效。

[1]李全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2009．

[2]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005．

[3]馬忠梅，等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

[4]伍馮潔.Proteus虛擬仿真技術(shù)在I2C總線通信中的應(yīng)用[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2015（4）：675-678.

[5]黃鑫，王玉林，謝靜.基于I2C總線的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與虛擬仿真[J].儀器儀表用戶，2010（4）：44-46.

[6]劉文光，張銘銘.51單片機(jī)I2C總線接口仿真研究[J].電子制作，2012（10）:1-2.

[7]張遠(yuǎn)輝，張鼎，許昌，等.基于Proteus的XY數(shù)控工作臺(tái)仿真模型設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015（3）:133-136.

[8]趙輝，董德存.I2C總線技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[J].微型電腦應(yīng)用,2005（4）:61-63+66.

[9]石宗義.I2C總線時(shí)序分析及其模擬[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004（1）:53-56.

[10]劉心紅，郭福田，孫振興，等.Proteus仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007（3）:96-98+102.

[11]汪寧.Proteus軟件的單片機(jī)仿真方法[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007（1）:24-27.

[12]周靈彬，張靖武.PROTEUS的單片機(jī)教學(xué)與應(yīng)用仿真[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008（1）:76-79.

[13]葉建波，朱雙東.基于Proteus的單片機(jī)電路的虛擬仿真[J].電子工程師,2008（11）:23-24+67.

[14]陳知紅，王錦蘭.Proteus仿真軟件在電工學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014（2）:93-95+128.

[責(zé)任編輯 鄭麗娟]

TP273

A

2095-0438（2017）08-0151-05

2017-02-02

王九龍(1988-)，男，陜西寶雞人，綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院助教，碩士，研究方向：嵌入式開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。