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按平臺模式設計的虛擬I2C總線軟件包VIIC

時間：2023-02-21 00:01:54 電子通信論文我要投稿

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摘要：VIIC是主方式下的虛擬I2C總線軟件包，用于80C51系列單片機的單主系統中。只需兩根普通I/O口線就可隨時擴展I2C總線外圍器件。將VIIC1.0裝入程序存儲器中，對其中的符號單元賦值后，使用三條通用操作命令就可實現任何I2C總線外圍器件的應用程序設計。本文以VIIC為例，介紹應用軟件形式的廣義平臺設計方法，給出VIIC1.0程序文本。按照這一思路，也可移植到其他系列的嵌入式系統中。

關鍵詞：平臺模式虛擬I2C總線VIIC應用程序設計

一、I2C總線及其虛擬應用

1. I2C總線應用呼喚平臺模式

目前，單片機應用系統的外圍擴展已從并行方式為主過渡到以串行方式為主的時代。許多新型外圍器件都帶有串行擴展接口。通常的串行擴展接口和串行擴展總線有UART的移位寄存器方式、MOTOROLA公司的SPI、NS公司的Microwire、Dallas公司的1Wire和Philips公司的I2C總線等。其中，I2C總線提供了較完善的總線協議、最簡單的串行連接方式，并提供了總線操作的狀態處理軟件包，因而得到了廣泛的應用。但廠家并未提供完善的平臺模式應用軟件包。因此，用戶在擴展I2C總線外圍器件時，還要在了解I2C總線協議、操作原理的基礎上，采用直接方式進行I2C總線外圍器件的應用程序設計。迄今為止，許多期刊的文章中還是以這種方式來介紹I2C總線的擴展應用。由于I2C總線協議的復雜性和操作管理的特殊性，從I2C總線結構原理到I2C總線應用的直接設計方式難度較大，使I2C總線推廣應用較慢。因此，迫切呼喚推出I2C總線的應用軟件平臺，使人們不必了解I2C總線就能設計I2C總線應用程序。

2. 廣泛使用的主工作方式

I2C總線是1個十分完善的多主系統總線，總線上可以掛接多個MCU，因此有4種工作方式，即主發送、主接收、從發送、從接收。但實際的單片機應用系統絕大多數都是單個MCU系統，只用到I2C總線的主方式，即主發送與主接收。

3. 虛擬I2C總線的廣泛需求

目前，有許多外圍器件帶有I2C總線接口，然而，帶有I2C總線接口的MCU只有少數廠家的個別型號，致使I2C總線難以推廣。因此，人們便使用MCU通用的I/O口來虛擬I2C總線接口。早期東芝公司在彩電中就在自己的MCU中虛擬I2C總線接口，實現I2C總線外圍器件擴展的虛擬應用。

采用虛擬I2C總線后，任何1個廠家的單片機都可以無障礙地使用I2C總線外圍器件。同樣，虛擬I2C總線的應用也呼喚平臺模式。

二、VIIC1.0軟件包設計

VIIC1.0是物化形式為軟件包文檔的廣義平臺，適合在80C51單片機系列單主系統中應用。

按照廣義平臺設計內容，VIIC有最佳包容性設計、后歸一化設計、前歸一化設計、物化設計和應用界面設計。

1.最佳包容性設計

最佳包容性設計是廣義平臺適用范圍的最佳選擇性設計。完整的I2C總線有4種操作方式，并且有指定的端口，有地址寄存器(S1ADR)來設定MCU的地址。在VIIC的包容性設計中規定為主方式下的通用I/O口虛擬。規定為主方式后，避免了多主方式下極大難度的總線沖突仲裁處理程序設計，又保證了能滿足絕大多數I2C總線擴展應用。采用通用I/O口的虛擬，使用戶可隨意規定虛擬I2C總線端口，擴大了虛擬I2C總線應用的靈活性。

2.后歸一化設計

后歸一化設計是確定應用范圍的相關設計。VIIC的后歸一化設計有：

(1) 應用范圍指定為帶I2C總線的外圍器件擴展；

(2) 所有I2C總線外圍器件的操作方式歸一化為外圍器件N個字節的讀寫操作；

(3) 總線節點通信方式歸一化為SLAW/SLAR節點尋址后的點對點的讀寫操作。

3.前歸一化設計

前歸一化設計是從I2C總線協議原理、操作方式、時序規則出發，實現后歸一要求的設計。VIIC的前歸一化設計有：

(1) 時序的指令模擬即模擬I2C總線操作時序。I2C總線操作的典型時序信號有起始位(STAR)、停止位(STOP)、發送應答位(MACK)、發送非應答位(MNACK)。

(2) 數據傳送操作虛擬即模擬I2C數據傳送過程。例如，應答位檢查(CACK)、發送1個字節數據(WRBYT)、接收1個字節數據(RDBYT)。

(3) 外圍器件讀寫操作虛擬。要求虛擬1個I２C總線讀寫操作過程(RDNBYT、WRNBYT)。

4.VIIC1.0的結構設計

(1) VIIC1.0的組成。根據歸一化設計，主方式下虛擬I２C總線由下列9個子程序組成： · 時序模擬子程序STAR，STOP，MACK，MNACK； · 操作模擬子程序CACK，WRBYT，RDBYT； · 數據讀寫子程序RDNBYT，WRNBYT。由于篇幅所限，本文中省略了VIIC1.0軟件包中這9個子程序的虛擬設計方法。需要詳細了解的讀者可參看文尾參考資料2中7.3節“I2C總線的串行擴展技術”的有關部分。

(2) 軟件包的出口界面軟件包VIIC實現非介入性操作，出口界面是軟件包應用時惟一的觸及面。VIIC1.0中的出口界面為數據讀寫子程序 RDNBYT/WRNBYT。

(3) 軟件包的符號單元 VIIC中的符號標記有發送數據緩沖區MTD、接收數據緩沖區MRD、傳送字節數存放單元NUMBYT以及尋址字節SLAW/SLAR存放單元SLA。這些符號單元都采用了標準I2C總線狀態處理軟件包中規定的字符標記。

5.應用界面設計

VIIC1.0軟件包規定了讀寫子程序RDNBYT/WRNBYT的惟一出口界面，因此RDNBYT/WRNBYT的調用操作命令，以及滿足調用操作的初始化操作的三條命令為VIIC的應用界面，即：

MOV SLA，#SLAR/SLAW ；總線上節點尋址并確定傳送方向

MOV NUMBYT，#N ；確定傳送字節數N

LCALL RDNBYT/WRNBYT ；讀/寫操作調用

三、VIIC1.0軟件包清單

VIIC1.0軟件包清單如下。

①STAR：SETB VSDA；啟動I２Ｃ總線

SETB VSCL

NOP

CLR VSDA

NOP

CLR VSCL

RET

②STOP： CLR VSDA ；停止I２Ｃ總線數據傳送

SETB VSCL

NOP

SETB VSDA

NOP

CLR VSDA

CLR VSCL

RET

③MACK： CLR VSDA ；發送應答位

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

SETB VSDA

RET

④MNACK： SETB VSDA ；發送非應答位

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

CLR VSDA

RET

⑤CACK： SETB VSDA ；應答位檢查

SETB VSCL

CLR F0

MOV C，VSDA

JNC CEND

SETB F0 CEND： CLR VSCL

RET

⑥WRBYT： MOV R0，#08H ；向VSDA線上發送1個數 ;據字節 WLP： RLC A

JC WR1

AJMP WR0 WLP1： DJNZ R0，WLP

RET WR1： SETB VSDA

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

CLR VSDA

AJMP WLP1 WR0： CLR VSDA

SETB VSCL

NOP

CLR VSCL

AJMP WLP1

⑦RDBYT： MOV R0，#08H ；從VSDA線上讀取1個數 ;據字節 RLP： SETB VSDA

SETB VSCL

MOV C，VSDA

MOV A，R2

RLC A

MOV R2，A

CLR VSCL

DJNZ R0，RLP

RET

⑧WRNBYT： MOV R3，NUMBYT ；虛擬I2C總線發送N個 ;字節數據

LCALL STA

MOV A，SLA

LCALL WRBYT

LCALL CACK

JB F0，WRNBYT

MOV R1，#MTD WRDA： MOV A，@R1

LCALL WRBYT

LCALL CACK

JB F0，WRNBYT

INC R1

DJNZ R3，WRDA

LCALL STOP

RET ⑨RDNBYT： MOV R3， NUMBYT ；模擬I２Ｃ總線接收n個 ;字節數據

LCALL STA

MOV A，SLA

LCALL WRBYT

LCALL CACK

JB F0，RDNBTY RDN： MOV R1，#MRD RDN1： LCALL RDBYT

MOV @R1，A

DJNZ R3，ACK

LCALL MNACK

LCALL STOP

RET ACK： LCALL MACK

INC R1

SJMP RDN1

四、VIIC1.0應用指南

1.適用范圍

VIIC1.0適用于80C51系列單主系統中I2C總線外圍器件擴展的應用程序設計。由于時序模擬基于6MHz時鐘設計，在高速時鐘下，可適當增加時序模擬子程序中的空操作指令。

2. 資源占用

VIIC使用了R0，R1，R2，R3，F0，C等資源。

3.符號單元

PVIIC中有許多符號標記，這些符號標記有：

VSDA 虛擬I2C總線數據線；

VSCL虛擬I2C總線時鐘線；

SLA尋址字節存放單元；

NUMBYT傳送字節數存放單元；

MTD發送數據緩沖區；

MRD接收數據緩沖區。

4.歸一化操作命令

不論總線上擴展什么外圍器件，都只須使用以下三條指令：

MOV SLA，#SLAW/SLAR

MOVNUMBYT，#N

LCALLWRNBYT/RDNBYT

5.VIIC的裝載

由于WRNBYT/RDNBYT都使用長調用命令LCALL，故VIIC1.0可放在程序存儲器的任意空間。圖1

6.通用的應用界面

VIIC1.0的應用界面如圖1所示。與VIIC1.0有關的只是3條歸一化操作命令；與硬件電路相關的是器件地址與引腳地址構成的尋址字節和由器件規定的數據操作格式。
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五、VIIC1.0應用示例

在本文參考文獻２中給出了一些基于VIIC軟件包的外圍串行擴展應用實例。現就帶I2C總線接口LED顯示驅動器SAA1064擴展8位LED顯示電路來示范VIIC1.0的應用。

1.硬件電路與尋址字節

用2片SAA1064擴展的8位LED顯示電路如圖2（b）所示，圖2(a)為SAA的引腳排列圖。設80C51用P1.1/P1.0來虛擬SDA/SCL口線。兩片SAA1064的ADR引腳分別接地和VCC。SAA1064(1)、(2)的器件地址為0111，引腳地址為000和111，因此它們的尋址字節SLAW/SLAR分別為70H/71H和76H/77H。

2.顯示原理與數據操作格式

在I2C總線外圍器件的數據手冊中，都給出了實現器件功能的數據操作格式，以及實現功能的控制命令與寄存器的管理模式。

(1) SAA1064的數據操作格式 80C51只須對SAA1064進行寫操作，便實現了LED的顯示驅動控制。SAA1064的寫數據操作格式如下：

S SLAW A SUBADR A COM A data1 A data2 A data3 A data A P

只須對SAA1064中首地址為SUBADR的5個寄存器單元中依次寫入控制命令COM和4個LED共陰極段碼datal～data4，SAA1064的SUBADR=00H。

控制命令COM格式及位功能規定如下：

D7 D0

—— C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0

C0 靜、動態顯示選擇。C0=1，動態顯示。

C1 顯示位1，3暗亮選擇。C1=1，選擇亮。

C2 顯示位2，4暗亮選擇。C2=1，選擇亮。

C3 測試位。C3=1，所有段點亮。

C4，C5，C6 驅動電流控制位。C4，C5，C6為 “1”時，驅動電流分別為3mA，6mA，12mA；皆為1時輸出驅動電流最大，達21mA。

3.應用程序設計

按下列步驟完成圖2（b）的8位LED顯示程序設計。

(1) 將VIIC1.0裝入程序存儲器中。

(2) 根據硬件電路及資源分配，將VIIC1.0中的符號單元賦值如下：

VSDA EQU P1.1 ；用P1.1虛擬SDA

VSCL EQU P1.0 ；用P1.0虛擬SCL

SLA EQU 50H ；50H為尋址字節存放單元

NUMBYT EQU 51H ；51H為傳送字節數據存放單元

MTD EQU 30H ；30H為發送緩沖區首地址

(3) 8位LED顯示子程序設計

這里介紹1個在圖2(b)LED顯示器上顯示“bUAA0706”固定字符的子程序。

根據SAA1064的數據操作格式，點亮4個LED只須依首地址SUBADR順序送入控制命令COM和4個LED共陰極段選碼data1～data4。

設LED驅動電流為18 mA(C6，C5為高電平；C4為低電平)動態顯示要求(C2，C1，C0為高電平)故COM=67H。SAA1064(1)顯示“0706”的段碼依次是7DH，3FH，07H，3FH；SAA1064(2)顯示“bUAA”的段碼依次為77H，77H，3EH，7CH。因此，SAA1064(1)，(2)的數據操作格式具體化為

設顯示“bUAA0706”的子程序名為VSAA8。VSAA8的程序清單如下：

VSDA EQU P1.0

VSCL EQU P1.1

SLA EQU 50H

NUMBYT EQU 51H

MTD EQU 30H

VSAA8： MOV 30H，#00H；將SUBADR,COM,LED共；陰極段碼data1～data4 ；依次裝入發送緩沖區

MOV 31H，#67H

MOV 32H，#7DH

MOV 33H，#3FH

MOV 34H，#07H

MOV 35H，#3FH

MOV SLA，#70H；尋址SAA104(1)并為發送 ;狀態