模拟I2C总线多主通信的通用软件包

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:本文给出软件模拟I2C总线应用在多主机系统中的解决方案。分析多主竞争出现原因及其时段,结合时序图和流程图阐述竞争仲裁的原理及实现方案,并提供通用软件包,用户可将其应用在实际的系统中。 关键词:模拟I2C总线 多主机系统 通用软件包 引言 I2C是由Philips公司推出的芯片间串行传输总线。它以规范严谨、使用简单灵活、支持的外围器件繁多等特点而被广泛应用。对于不具备I2C接口的主器件(通常指MCU),可利用普通的I/O口来模拟I2C总线,但由于无法解决多主竞争问题而只能应用在单主机系统中。本文提供了一种解决方案,可将模拟I2C总线应用在多主机系统中,实现模拟I2C的多主通信。 1 模拟I2C多主通信的设计原理 在I2C总线系统中,可以有多个主器件节点。当多个主器件节点都企图控制总线时,就会出现多主竞争。这时就需要进行仲裁,裁决的结果只允许其中一个主器件节点成为主控器。而硬件I2C系统之所以支持多主系统,是因为其具有的三个特性:①接口的线“与”逻辑功能;②内部冲突检测电路;③I2C中断和状态处理程序。这使其能够自动完成多主竞争时的时钟同步与总线仲裁,无须用户介入。而在模拟I2C系统中,如果能通过软硬件设计模拟出上述的三个特性,就等于解决了竞争仲裁与同步问题,那么模拟I2C总线就完全可以应用于多主机系统中。 首先,经过理论分析与实验验证,得知并联在一起的MCU的普通I/O口线本身就具有线“与”特性。其次,为了避免主节点在总线繁忙时启动总线而引起的冲突,需要增加一条握手线,即BUSY线来代表总线的忙/闲状态。因为数据线(SDA)和时钟线(SCL)上的信号是变化的,所以不能用它们充当BUSY线。另外,当多个MCU都检测到总线空闲,同时企图控制总线时,将形成多主竞争状态,同样会引起冲突。这时就需要引入时间片,用划分的时间片来决定竞争时各MCU占用I2C总线的优先次序。结合SDA的线“与”特性,检测SDA上是否已经存在启动信号(即SDA是否为0),如果直到相应的时间片结束都没有检测到SDA上的启动信号,自己就可以控制总线。最后,由于模拟系统中没有硬件I2C中断,MCU作为从器件时不知何时开始接收总线上的数据,所以,需要提供一根I2C中断信号线,使MCU在中断程序中处于从接收状态,中断线可以与BUSY线合用。 通过上述分析,利用三根信号线就能模拟出硬件I2C的竞争仲裁过程,实现模拟I2C的多主通信。 2 系统连接示意图 三线模拟I2C总线系统的连接框图如图1所示。 模拟I2C多主系统中,要参与竞争的主器件节点采用三级连接方式,如MCU(A)、MCU(B)、MCU(C);对于外围器件节点如24C64等,因不具备主动控制I2C总线的能力,不会参与总线的竞争,所以仍可采用通用的两线连接方式。三线模拟I2C总线中的时钟线SCL和数据线SDA可由MCU的任意两个I/O口线模拟;BUSY线因还要充当中断信号线,则必须与MCU的外部中断引脚INT0或INT1连接。 3 时序分析及流程设计 在检测到BUSY=0(忙)时,不会出现竞争;但当检测到BUSY=1(闲)到将BUSY设为0,需要的典型时间为3个机器周期。在这段时间内,别的MCU仍会检测到BUSY=1,也认为总线空闲到企图占用,这时就出现了竞争与冲突。竞争的时间范围为2%26;#215;3个机器周期。仲裁的方法是为每一个MCU分配一个仲裁时间片,在规定的时间片内MCU反复检测总线中的数据线SDA是否有信号,直到时间片结束。如果没有信号就可马上占用I2C总线,发送起始信号;如果有信号则表示有别的高优先级的MCU要占用,该MCU退出竞争。仲裁时序图如图2所示。 将BUSY设为0后的一段时间规定为仲裁时间。仲裁时间长度为(N-1)%26;#215;Δt。N为I2C总线上参与竞争的MCU个数;Δt为一个时间片的长度,典型值为4个机器周期。按优先级顺序给MCU分配不同个数的时间片。仲裁时序如图2所示:假设MCU(A)优先级最高,它不必进行时间片测试,在检测到总线空闲时直接发送起始位;MCU(B)优先级为次高,在检测到总线空闲后,它需要等待检测一个时间片周期Δt,在Δt期间内SDA线上没有变化,即等待确认比它高优先级的MCU(A)不使用总线后,MCU(B)才能占用总线,发送起始信号;MCU(C)优先级最低,它需要测试等待周期2Δt,只有当MCU(A)、MCU(B)都不占用总线时(SDA一直保持为1),MCU(C)才能占用总线发送起始信号。 在实际应用中,还要注意BUSY线所用的中断脚INT0/INT1需初始化为开中断,并设定为下跳沿触发。当各MCU需控制总线进行主发送或主接收时,需先关掉INT0/INT1需初始化为开中断,并设定为下跳沿触发。当各MCU要控制总线进行主发送或主接收时,需先关掉INT0/INT1中断,再检测BUSY线是否为空闲(=1)。若是空闲就将BUSY设为0,进行竞争仲裁,流程图如图3所示。如果在仲裁时间片内SDA始终为1,说明没有高优先级的MCU要占据总线,自己可以发动起始信号控制总线,直到通信结束后,再释放BUSY线将其置为1。此时其它的MCU就只能作为从器件。如果在仲裁时间片内检测到SDA=0,则表明I2C总线已被占用,立刻将自己的BUSY设为1,并打开中断转为从接收,其流程图如图4所示。在中断程序中接收寻址字节,以判明是否呼叫自己。若是,就进行相应的读写操作;若不是,就放弃退出中断程序。注意:为了使总线上的MCU都能检测到I2C上的起始信号,并使从器件能够同步接收,SDA=0的时间要维持一定的宽度,至少应大于9个机器周期。 结语 经实验证明:三线模拟I2C总线解决了多主竞争问题,可方便的应用于多主机系统中,提高了系统的灵活性,也进一步扩大了软件模拟I2C的应用范围,在实际应用中具有一定的使用价值。通用软件包及测试程序请看网站(http://www.dpj.com.cn)网络补充版。
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