基于５１单片机Ｉ〈ｓｕｐ〉２〈／ｓｕｐ〉Ｃ总线串行通信的应用

[摘要]介绍I²C总线技术及其技术标准。结合ATMEL公司具有I²C总线的AT24LCO4，给出AT89S51单片机虚拟I²C总线的硬件设计及软件实现。

[关键词]I²C单片机AT24LC04

中图分类号：TN91文献标识码：A文章编号：1671－7597(2009)0210034－02

一、引言

I²C总线是PHILIPS公司推出的一种双向二线制总线，它包括一条串行数据线(SDA)和一条串行时钟线(SCL)。总线中每个器件都有唯一的地址识别，而且都可以作为一个发送器或接收器。I²C总线是目前常见的一种智能化仪器仪表组成方案，但在很多小型仪表中，使用带有12C总线接口的高档单片机在经济上则是不合算的。51系列的单片机是我国目前流行的性价比高的微控制器之一，而大多数51系列单片机不具备与I²C总线的接口功能。本文以AT89S51单片机为例探究如何在51系列的单片机中实现I²C总线的串行通信和控制外围I²C总线的器件。

二、I²C总线系统结构及时序

(一)I²C总线组成

一个典型的I²C总线系统组成结构如图一所示，假设系统中器件均具有I²C总线接口，通过两根线SDA(串行数据线)和SCL(串线时钟线)连接到I²C总线，并通过总线行识别。

I²C总线的器件分为主器件和从器件。主器件的功能是启动在总线上传送数据，并产生时钟脉冲，以允许与被寻址的器件进行数据传送。任何器件均能成为从器件，只有微控制器才能成为主器件。I²C总线允许连接多个微控制器，先控制总线的器件成为主器件。数据在主、从器件间传送，结束后，主、从器件将释放总线，退出主、从器件角色。总线上存在主、从器件时，总线处于忙的状态，反之，总线处于空闲状态。

(二)I²C总线时序

所有主机在SCL线上产生自己的时钟来传输I²C总线上的数据，数据只在时钟的高电平周期有效，每传输一个数据位就产生一个时钟脉冲，数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变，当SCL为高电平时，SDA的改变表示“开始”和“停止”状态，即SDA由高电平转入低电平表示开始，该命令必须在其它命令前执行；SDA由低电平转入高电平表示停止状态，该命令可终止所有通讯。在开始条件后，SCL低电平期间，SDA允许变化，每位数据需一个时钟脉冲，当SCL为高时，SDA必须稳定，主控器在应答时钟脉冲高电平期间释放SDA线，转由接收器控制。相同总线上的设备在收到数据后，以置SDA为低电平的方式对其确认。总线不忙时，数据线和时钟线保持为高电平。I²C总线的时序如图二所示。

三、51单片机系统中I²C总线的实现

51系列单片机上并不带I²C总线，因此必须根据I²C总线的时序用单片机上的I/O口模拟I²C总线时序实现其功能。现以单片机应用系统中较为常见的E2PROM中AT24LC04为例，介绍在51系列单片机上利用普通I/O口实现I²C串行总线的方法和软件设计。

外围I²C器件选用AT24LC04是EEPROM。其具有512×8位的存储容量，工作从器件方式，其引脚排列如图三所示。

其中AO、A1和A2为地址选择输入端。单片机与AT24LCO4间进行数据传递时，首先传送器件的从地址SLA，START为起始信号，1010为AT24LCO4的器件地址，AO和A1由芯片的AO、A1引脚上的电平决定。

图四所示为AT89S51单片机和AT24LCO4的接口图，分别用I/O口P1.6、P1.7连接SCL和SDA总线。通过控制P1.6口的高低电平得到I²C的虚拟时钟，P1.7口作为数据传输的双向端口，作为单片机和AT24LCO4之间的数据线。

四、虚拟I²C总线软件结构

对于虚拟I²C总线来说要实现其功能主要是注意I²C器件的操作时序，总线的运行由主机控制。所谓主机即启动数据的传送即发出启动信号，发出时钟信号，传送结束时发出停止信号的设备，通常主机是微处理器。被主机寻访的设备都称为从机。这里AT89S51是I²C串行总线中的主器件；AT24LCO4是I²C串行总线的从器件。为了进行通讯，每个接到I²C总线的设备都有一个唯一的地址，以便于主机寻访。主机和从机的数据传送，可以由主机发送数据到从机，也可以是从机发到主机。凡是发送数据到总线的设备称为发送器，从总线上接收数据的设备被称为接受器。表一为程序中所使用的变量及功能。

为了保证严格的时序，需要采用汇编程序模拟12C串行时序。程序代码如下：

SCL EQU P1.6：定义端口

SDA EQU P1.7：

START：CLR SCL；开始信号的传递

SETB SDA；

ACALL DELAY；

SETB SCL；

ACALL DELAY；

CLR SDA；

ACALL DELAY；

CLR SCL；

RET；

STOP：CLR SCL；停止信号的传递

CLR SDA；

ACALL DELAY；

SETB SCL；

ACALL DELAY；

SETB SDA

ACALL DELAY；

RET；

SEND：MOV R0，#08H；发送一个字节

SENDO：RLC A：

MOV C SDA；

SETB SCL；

ACALL DELAY；

CLR SCL；

DJNZ R0.SENDO；

SETB SDA：

PET；

REV：MOV R0，#08H；接收一个字节

REVO：SETB SCL；

MOV C SDA；

RLC A：

CLR SCL；

DJNZ R7.REV0；

PET；

ACKC：SETB SCL；接收一个应答位

ACALL DELAY；

MOV C，SDA；

CLR SCL；

RET；

ACKS：SETB SCL；发送一个应答位

ACALL DELAY；

MOV C SDA；

CLR SCL；

PET；

DELAY：NOP；延时程序

NOP：

NOP；

RET；

五、结论

本文介绍了I²C总线的组成及时序，并以ATMEL公司的AT24LC04为例模拟I²C总线的时序的起始、停止及CPU向I²C总线的发送和接收数据。

基金项目：南校教研字(2007)第003号南宁师范高等专科学校科研项目经费资助。

作者简介：

黄灿胜，男，广西扶绥人，南宁师范高等专科学校，工程师，研究方向是单片机应用技术教学与研究。