1 引言

隨著單片機控制系統的不斷擴大以及控制功能不斷增多，有限的單個單片機通用I/O口已不能滿足同一系統中控制多個受控對象需要，隨著FC總線研究的深入，用I2C總線擴展單片機I/O口的方法在全自動、半自動儀器的開發領域得到了廣泛應用，本文介紹了一個測試系統通過FC總線擴展I/O口實現了系統的多個功能。給出了系統的硬件連接以及Atmega128與三個Atmega168之間的軟件通信流程圖。

2 系統的硬件結構

圖1是作者所研究的測試系統的整體框圖，本系統中主要芯片PHILIPS公司的LPC2292，在此系統中鍵盤上其中三個按鈕分別控制三個電機，系統的主要功能是LPC2292將掃描到的鍵盤信息發給Atmega128單片機，Atmega128單片機通過I2C總線尋址Atmega168，并向被尋址的Atmega168發送電機控制命令，最后，電機根據Atmega168控制策略正常運行。電機啟動同時，數據采集模塊也開始正常運行，數據采集模塊把采到數據送到LPC2292的A/D轉換接口，然后將ADC輸出的數據發送到LCD。系統中的撥碼開關用于設置相應的Atmega168單片機的地址，當單片機Atmega128接收到LPC2292發來的控制命令時，通過I2C總線尋址Atmega168，當某個Atmega168的地址與Atmega128廣播地址相同時，它就開始根據Atmega128發送的命令控制電機開始工作。

圖1基于I2C總線的I/O擴展框圖

3 I2C總線

I2C總線是PHILIPS公司推出的芯片間串行數據傳輸總線，軟、硬件協議十分巧妙，2根線(SDA，SCL)HP可實現完善的全雙工同步數據傳送，能夠十分方便地構成單主系統或多主系統和外同器件擴展系統。不過，多主系統(即系統中有多個I2C總線接口的單片機)會出現多主競爭的復雜狀態。I2C器件是把I2C的協議植入器件的I/O接口，使用時器件直接掛到I2C總線上，這一特點給用戶在設計應用系統時帶來了極大的方便。I2C器件無須片選信號，是否選中是由主器件發出的I2C從地址決定的。

所有掛到I2C總線的外圍器件，各自都有一個唯一確定的地址。任何時刻總線上只有一個主控器件對總線實行控制權，分時實現點對點的數據傳送。I2C總線上所有外闈器件都有規范的器件地址，器件地址由7位組成，它和1位方向位(R/W)構成了I2C總線器件的尋址字節SLA，格式如下：

器件地址(A6，A5，A4，A3)是I2C總線外圍接口器件同有的地址編碼(4位或5位)，器件出廠時已固化好。引腳地址(A2，A1，A0)和器件在電路中的實際接法有關(地址線、電源或地)，形成地址數據。數據方向位(R/W)規定了總線上的主節點對從節點的數據傳送方向，當(R/W)位置1時接收，當(R/W)為0時發送。圖1中的撥碼開關設置了從單片機Atmega168的地址，也就是從機地址的低三位(A2，AI，A0)，當某個撥碼開關的某個開關閉合時，相應的地址位為零，否則相應位為1，因此可以通過撥碼開關上開關的狀態來設定從單片機Atmega168的地址，比如某個撥碼開關與A0、A2位對應的開關閉合，與Al對應的開關斷開，那么這個單片機地址的低三位為010。

4 I2C通信的流程圖

根據I2C總線的傳輸協議規范和硬件連接，作者給出了如圖2和圖3基本程序流程圖和部分程序。開發語言為c語言，與匯編語言相比，可以提高軟件的執行速度。

4．1 主機發送/從機接收I2C子程序流程圖

圖2和圖3給出了主機發送，從機接收I2C子程序流程圖，通過I2C總線發送/接收數據時，I2C總線的控制寄存器的中斷位必須先置位，為了避免因為某種原因不能使控制寄存器的中斷位置位而導致程序進入死循環，作者在I2C總線通信程序發送/接收數據前編寫了中斷循環等待和錯誤處理程序，大大提高了程序的可靠性，具體程序如下：

while(!(TWCR & (1<

if(j>10000) return O：

應用I2C總線發送數據時，作者采用了狀態位查詢方法，并且給出了錯誤標志置位、錯誤跳出程序，下面的程序是發送從機地址的部分程序：

switch(TWSR & 0XF8)

{

case Oxl8: flag=0; break;

case 0x20：flag=1; break;

case 0x38：flag=l; break;

default：return 0：

}

if(flag) continue；

圖2 I2C主機發送程序框圖

程序中的flag=0表示從機地址發送成功，flag=1表示從機地址發送失敗，當TWSR寄存器中的狀態碼為0x18時，表明從機地址已發送，并且接收到ACK，同時錯誤標志“flag”置0，下一步通過心發送數據，當TWSR寄存器中的狀態碼為0x20時，表明從機地址已發送，但是接收到NO ACK，同時錯誤標志”flag”置1，下一步執行“if(flag)continue；”語句，結束本次循環，當TWSR寄存器中的狀態碼為0x38時，表明從機地址仲裁失敗，同時錯誤標志“flag”置1，下一步執行“if(flag)continue；"語句，結束本次循環。總線將釋放，并進入未尋址從機模式，總線空閑后將發送“start”。程序中“if(flag)continue；”語句使得當數據發送失敗時，結束本次循環，返回到開始等待發送命令，這樣避免了由于偶爾數據發送失敗造成整個程序無法運行，甚至整個設備無法運行，因而，用“if(flag)continue；”語句結束錯誤傳輸。可提高I2C通信的質量，同時也提高了使用I2C總線通信的設備的效率。

圖3 從機接收流程圖

4．2 編程中的注意事項

a)在主機或從機初始化時，一定要設定數據傳輸方向；

b)由于每次發送/接收數據時TWCR寄存器的中斷標志位必須置位，因此程序中要有等待TWCR寄存器中斷位置位程序，同時，為了避免由于某種原因導致中斷位不能置位造成等待程序進入死循環，在等待中斷位置位程序中要有等待超時返回程序。

c)I2C總線的使用，除了基本的啟動、結束、應答、非應答子程序外，還應有應答位檢查、發送和接收單字節、發送和接收多字節等子程序。

5 結論

作者在程序流程的每個關鍵部分都設置了錯誤查詢和錯誤處理，使得I2C程序能夠從錯誤中自動恢復，避免了由于I2C通信導致的錯誤而使得系統無法正常工作，文中還給出了部分發送子程序和編程注意事項。對于圖2和圖3的I2C通信流程，作者已在多個科研項目中進行了編程使用。實踐證明，按上述流程編寫I2C通信程序，主從單片機之間的通信非常可靠。