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按平臺模式設(shè)計的虛擬I2C總線軟件包VIIC
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(tǒng)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(xiàn)任何I2C總線外圍器件的應(yīng)用程序設(shè)計。本文以VIIC為例，介紹應(yīng)用軟件形式的廣義平臺設(shè)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(tǒng)中。關(guān)鍵詞：平臺模式虛擬I2C總線VIIC應(yīng)用程序設(shè)計
一、I2C總線及其虛擬應(yīng)用
1. I2C總線應(yīng)用呼喚平臺模式
目前，單片機應(yīng)用系統(tǒng)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(xié)議、最簡單的串行連接方式，并提供了總線操作的狀態(tài)處理軟件包，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但廠家并未提供完善的平臺模式應(yīng)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(xié)議、操作原理的基礎(chǔ)上，采用直接方式進行I2C總線外圍器件的應(yīng)用程序設(shè)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(yīng)用。由于I2C總線協(xié)議的復(fù)雜性和操作管理的特殊性，從I2C總線結(jié)構(gòu)原理到I2C總線應(yīng)用的直接設(shè)計方式難度較大，使I2C總線推廣應(yīng)用較慢。因此，迫切呼喚推出I2C總線的應(yīng)用軟件平臺，使人們不必了解I2C總線就能設(shè)計I2C總線應(yīng)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(tǒng)總線，總線上可以掛接多個MCU，因此有4種工作方式，即主發(fā)送、主接收、從發(fā)送、從接收。但實際的單片機應(yīng)用系統(tǒng)絕大多數(shù)都是單個MCU系統(tǒng)，只用到I2C總線的主方式，即主發(fā)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(shù)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(xiàn)I2C總線外圍器件擴展的虛擬應(yīng)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(yīng)用也呼喚平臺模式。
二、VIIC1.0軟件包設(shè)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(tǒng)中應(yīng)用。
按照廣義平臺設(shè)計內(nèi)容，VIIC有最佳包容性設(shè)計、后歸一化設(shè)計、前歸一化設(shè)計、物化設(shè)計和應(yīng)用界面設(shè)計。
1.最佳包容性設(shè)計
最佳包容性設(shè)計是廣義平臺適用范圍的最佳選擇性設(shè)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(shè)定MCU的地址。在VIIC的包容性設(shè)計中規(guī)定為主方式下的通用I/O口虛擬。規(guī)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(shè)計，又保證了能滿足絕大多數(shù)I2C總線擴展應(yīng)用。采用通用I/O口的虛擬，使用戶可隨意規(guī)定虛擬I2C總線端口，擴大了虛擬I2C總線應(yīng)用的靈活性。
2.后歸一化設(shè)計
后歸一化設(shè)計是確定應(yīng)用范圍的相關(guān)設(shè)計。VIIC的后歸一化設(shè)計有：
(1) 應(yīng)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(jié)的讀寫操作；
(3) 總線節(jié)點通信方式歸一化為SLAW/SLAR節(jié)點尋址后的點對點的讀寫操作。
3.前歸一化設(shè)計
前歸一化設(shè)計是從I2C總線協(xié)議原理、操作方式、時序規(guī)則出發(fā)，實現(xiàn)后歸一要求的設(shè)計。VIIC的前歸一化設(shè)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(fā)送應(yīng)答位(MACK)、發(fā)送非應(yīng)答位(MNACK)。
(2) 數(shù)據(jù)傳送操作虛擬即模擬I2C數(shù)據(jù)傳送過程。例如，應(yīng)答位檢查(CACK)、發(fā)送1個字節(jié)數(shù)據(jù)(WRBYT)、接收1個字節(jié)數(shù)據(jù)(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(jié)構(gòu)設(shè)計
(1) VIIC1.0的組成。 根據(jù)歸一化設(shè)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(shù)據(jù)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(shè)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(jié)“I2C總線的串行擴展技術(shù)”的有關(guān)部分。
(2) 軟件包的出口界面 軟件包VIIC實現(xiàn)非介入性操作，出口界面是軟件包應(yīng)用時惟一的觸及面。VIIC1.0中的出口界面為數(shù)據(jù)讀寫子程序 RDNBYT/WRNBYT。
(3) 軟件包的符號單元 VIIC中的符號標(biāo)記有發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)MTD、接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)MRD、傳送字節(jié)數(shù)存放單元NUMBYT以及尋址字節(jié)SLAW/SLAR存放單元SLA。這些符號單元都采用了標(biāo)準(zhǔn)I2C總線狀態(tài)處理軟件包中規(guī)定的字符標(biāo)記。
5.應(yīng)用界面設(shè)計
VIIC1.0軟件包規(guī)定了讀寫子程序RDNBYT/WRNBYT的惟一出口界面，因此RDNBYT/WRNBYT的調(diào)用操作命令，以及滿足調(diào)用操作的初始化操作的三條命令為VIIC的應(yīng)用界面，即：
MOV SLA，#SLAR/SLAW ；總線上節(jié)點尋址并確定傳送方向
MOV NUMBYT，#N ；確定傳送字節(jié)數(shù)N
LCALL RDNBYT/WRNBYT ；讀/寫操作調(diào)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
NOP
CLR VSDA
NOP
NOP
CLR VSCL
RET
②STOP： CLR VSDA ；停止I２Ｃ總線數(shù)據(jù)傳送
SETB VSCL
NOP
NOP
SETB VSDA
NOP
NOP
CLR VSDA
CLR VSCL
RET
③MACK： CLR VSDA ；發(fā)送應(yīng)答位
SETB VSCL
NOP
NOP
CLR VSCL
SETB VSDA
RET
④MNACK： SETB VSDA ；發(fā)送非應(yīng)答位
SETB VSCL
NOP
NOP
CLR VSCL
CLR VSDA
RET
⑤CACK： SETB VSDA ；應(yīng)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(fā)送1個數(shù) ;據(jù)字節(jié) WLP： RLC A
JC WR1
AJMP WR0 WLP1： DJNZ R0，WLP
RET WR1： SETB VSDA
SETB VSCL
NOP
NOP
CLR VSCL
CLR VSDA
AJMP WLP1 WR0： CLR VSDA
SETB VSCL
NOP
NOP
CLR VSCL
AJMP WLP1
⑦RDBYT： MOV R0，#08H ；從VSDA線上讀取1個數(shù) ;據(jù)字節(jié) 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(fā)送N個 ;字節(jié)數(shù)據(jù)
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(jié)數(shù)據(jù)
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(yīng)用指南
1.適用范圍
VIIC1.0適用于80C51系列單主系統(tǒng)中I2C總線外圍器件擴展的應(yīng)用程序設(shè)計。由于時序模擬基于6MHz時鐘設(shè)計，在高速時鐘下，可適當(dāng)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，F(xiàn)0，C等資源。
3.符號單元
PVIIC中有許多符號標(biāo)記，這些符號標(biāo)記有：
VSDA 虛擬I2C總線數(shù)據(jù)線；
VSCL虛擬I2C總線時鐘線；
SLA尋址字節(jié)存放單元；
NUMBYT傳送字節(jié)數(shù)存放單元；
MTD發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；
MRD接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
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(diào)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(yīng)用界面
VIIC1.0的應(yīng)用界面如圖1所示。與VIIC1.0有關(guān)的只是3條歸一化操作命令；與硬件電路相關(guān)的是器件地址與引腳地址構(gòu)成的尋址字節(jié)和由器件規(guī)定的數(shù)據(jù)操作格式。
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五、VIIC1.0應(yīng)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(yīng)用實例。現(xiàn)就帶I2C總線接口LED顯示驅(qū)動器SAA1064擴展8位LED顯示電路來示范VIIC1.0的應(yīng)用。
1.硬件電路與尋址字節(jié)
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(shè)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(jié)SLAW/SLAR分別為70H/71H和76H/77H。
2.顯示原理與數(shù)據(jù)操作格式
在I2C總線外圍器件的數(shù)據(jù)手冊中，都給出了實現(xiàn)器件功能的數(shù)據(jù)操作格式，以及實現(xiàn)功能的控制命令與寄存器的管理模式。
(1) SAA1064的數(shù)據(jù)操作格式 80C51只須對SAA1064進行寫操作，便實現(xiàn)了LED的顯示驅(qū)動控制。SAA1064的寫數(shù)據(jù)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(guī)定如下：
D7 D0
—— C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0C0 靜、動態(tài)顯示選擇。C0=1，動態(tài)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(qū)動電流控制位。C4，C5，C6為 “1”時，驅(qū)動電流分別為3mA，6mA，12mA；皆為1時輸出驅(qū)動電流最大，達21mA。
3.應(yīng)用程序設(shè)計
按下列步驟完成圖2（b）的8位LED顯示程序設(shè)計。
(1) 將VIIC1.0裝入程序存儲器中。
(2) 根據(jù)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(jié)存放單元
NUMBYT EQU 51H ；51H為傳送字節(jié)數(shù)據(jù)存放單元
MTD EQU 30H ；30H為發(fā)送緩沖區(qū)首地址
(3) 8位LED顯示子程序設(shè)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(jù)SAA1064的數(shù)據(jù)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(shè)LED驅(qū)動電流為18 mA(C6，C5為高電平；C4為低電平)動態(tài)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(shù)據(jù)操作格式具體化為
設(shè)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(fā)送緩沖區(qū)
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(fā)送 ;狀態(tài)
MOV NUMBYT，#06H；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)
LCALL WRNBYT；調(diào)用VIIC1.0中N個字節(jié)寫 ;入子程序
MOV 30H，#00H；將SUBADR，COM，data1～ ;data4依次裝入發(fā)送緩沖區(qū)
MOV 31H，#67H
MOV 32H，#77H
MOV 33H，#77H
MOV 34H，#3EH
MOV 35H，#7CH
MOV SLA，#76H ； 尋址SAA1064(2)并為發(fā) ；送狀態(tài)
MOV NUMBYT，#06H ；確定發(fā)送字節(jié)數(shù)
MOV WRNBYT；調(diào)用VIIC1.0中N個字節(jié)寫 ；入子程序
RET
如果要隨意顯示內(nèi)存中的8個BCD碼，可開辟顯示緩沖區(qū)DISRAM，設(shè)計1個子程序，將顯示緩沖區(qū)中的8個BCD碼轉(zhuǎn)換成共陰極段碼再和SUBADR和COM一道送入MTD中，然后使用VIIC1.0的三條操作命令即可。
從上述應(yīng)用可看出，使用VIIC軟件包后，編寫應(yīng)用程序不必了解I2C總線原理、協(xié)議和時序，只要了解VIIC的應(yīng)用操作即可。
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