按平台模式设计的虚拟I2C总线软件包VIIC

摘要：VIIC是主方式下的虚拟I2C总线软件包，用于80C51系列单片机的单主系统中。只需两根普通I/O口线就可随时扩展I2C总线外围器件。将VIIC1.0装入程序存储器中，对其中的符号单元赋值后，使用三条通用操作命令就可实现任何I2C总线外围器件的应用程序设计。本文以VIIC为例，介绍应用软件形式的广义平台设计方法，给出VIIC1.0程序文本。按照这一思路，也可移植到其他系列的嵌入式系统中。

关键词：平台模式虚拟I2C总线VIIC应用程序设计

一、 I2C总线及其虚拟应用
1. I2C总线应用呼唤平台模式
    目前，单片机应用系统的外围扩展已从并行方式为主过渡到以串行方式为主的时代。许多新型外围器件都带有串行扩展接口。通常的串行扩展接口和串行扩展总线有UART的移位寄存器方式、MOTOROLA公司的SPI、NS公司的Microwire、Dallas公司的1|Wire和Philips公司的I2C总线等。其中，I2C总线提供了较完善的总线协议、最简单的串行连接方式，并提供了总线操作的状态处理软件包，因而得到了广泛的应用。但厂家并未提供完善的平台模式应用软件包。因此，用户在扩展I2C总线外围器件时，还要在了解I2C总线协议、操作原理的基础上，采用直接方式进行I2C总线外围器件的应用程序设计。迄今为止，许多期刊的文章中还是以这种方式来介绍I2C总线的扩展应用。由于I2C总线协议的复杂性和操作管理的特殊性，从I2C总线结构原理到I2C总线应用的直接设计方式难度较大，使I2C总线推广应用较慢。因此，迫切呼唤推出I2C总线的应用软件平台，使人们不必了解I2C总线就能设计I2C总线应用程序。
    2. 广泛使用的主工作方式
    I2C总线是1个十分完善的多主系统总线，总线上可以挂接多个MCU，因此有4种工作方式，即主发送、主接收、从发送、从接收。但实际的单片机应用系统绝大多数都是单个MCU系统，只用到I2C总线的主方式，即主发送与主接收。
    3. 虚拟I2C总线的广泛需求
    目前，有许多外围器件带有I2C总线接口，然而，带有I2C总线接口的MCU只有少数厂家的个别型号，致使I2C总线难以推广。因此，人们便使用MCU通用的I/O口来虚拟I2C总线接口。早期东芝公司在彩电中就在自己的MCU中虚拟I2C总线接口，实现I2C总线外围器件扩展的虚拟应用。
采用虚拟I2C总线后，任何1个厂家的单片机都可以无障碍地使用I2C总线外围器件。同样，虚拟I2C总线的应用也呼唤平台模式。

二、 VIIC1.0软件包设计

    VIIC1.0是物化形式为软件包文档的广义平台，适合在80C51单片机系列单主系统中应用。
    按照广义平台设计内容，VIIC有最佳包容性设计、后归一化设计、前归一化设计、物化设计和应用界面设计。
1. 最佳包容性设计
    最佳包容性设计是广义平台适用范围的最佳选择性设计。完整的I2C总线有4种操作方式，并且有指定的端口，有地址寄存器(S1ADR)来设定MCU的地址。在VIIC的包容性设计中规定为主方式下的通用I/O口虚拟。规定为主方式后，避免了多主方式下极大难度的总线冲突仲裁处理程序设计，又保证了能满足绝大多数I2C总线扩展应用。采用通用I/O口的虚拟，使用户可随意规定虚拟I2C总线端口，扩大了虚拟I2C总线应用的灵活性。
2. 后归一化设计
    后归一化设计是确定应用范围的相关设计。VIIC的后归一化设计有：
(1) 应用范围指定为带I2C总线的外围器件扩展；
(2) 所有I2C总线外围器件的操作方式归一化为外围器件N个字节的读写操作；
(3) 总线节点通信方式归一化为SLAW/SLAR节点寻址后的点对点的读写操作。
3. 前归一化设计
前归一化设计是从I2C总线协议原理、操作方式、时序规则出发，实现后归一要求的设计。VIIC的前归一化设计有：
(1) 时序的指令模拟即模拟I2C总线操作时序。I2C总线操作的典型时序信号有起始位(STAR)、停止位(STOP)、发送应答位(MACK)、发送非应答位(MNACK)。
(2) 数据传送操作虚拟即模拟I2C数据传送过程。例如，应答位检查(CACK)、发送1个字节数据(WRBYT)、接收1个字节数据(RDBYT)。
(3) 外围器件读写操作虚拟。要求虚拟1个I２C总线读写操作过程(RDNBYT、WRNBYT)。
4. VIIC1.0的结构设计
(1) VIIC1.0的组成。 根据归一化设计，主方式下虚拟I２C总线由下列9个子程序组成： · 时序模拟子程序STAR，STOP，MACK，MNACK； · 操作模拟子程序CACK，WRBYT，RDBYT； · 数据读写子程序RDNBYT，WRNBYT。 由于篇幅所限，本文中省略了VIIC1.0软件包中这9个子程序的虚拟设计方法。需要详细了解的读者可参看文尾参考资料2中7.3节“I2C总线的串行扩展技术”的有关部分。
(2) 软件包的出口界面 软件包VIIC实现非介入性操作，出口界面是软件包应用时惟一的触及面。VIIC1.0中的出口界面为数据读写子程序 RDNBYT/WRNBYT。
(3) 软件包的符号单元 VIIC中的符号标记有发送数据缓冲区MTD、接收数据缓冲区MRD、传送字节数存放单元NUMBYT以及寻址字节SLAW/SLAR存放单元SLA。这些符号单元都采用了标准I2C总线状态处理软件包中规定的字符标记。
5. 应用界面设计
VIIC1.0软件包规定了读写子程序RDNBYT/WRNBYT的惟一出口界面，因此RDNBYT/WRNBYT的调用操作命令，以及满足调用操作的初始化操作的三条命令为VIIC的应用界面，即：
MOV SLA，#SLAR/SLAW ；总线上节点寻址并确定传送方向
MOV NUMBYT，#N ；确定传送字节数N
LCALL RDNBYT/WRNBYT ；读/写操作调用
三、 VIIC1.0软件包清单
VIIC1.0软件包清单如下。
①STAR：SETB VSDA；启动I２Ｃ总线
SETB VSCL
NOP
NOP
CLR VSDA
NOP
NOP
CLR VSCL
RET
②STOP： CLR VSDA ；停止I２Ｃ总线数据传送
SETB VSCL
NOP
NOP
SETB VSDA
NOP
NOP
CLR VSDA
CLR VSCL
RET
③MACK： CLR VSDA ；发送应答位
SETB VSCL
NOP
NOP
CLR VSCL
SETB VSDA
RET
④MNACK： SETB VSDA ；发送非应答位
SETB VSCL
NOP
NOP
CLR VSCL
CLR VSDA
RET
⑤CACK： SETB VSDA ；应答位检查
SETB VSCL
CLR F0
MOV C，VSDA
JNC CEND
SETB F0 CEND： CLR VSCL
RET
⑥WRBYT： MOV R0，#08H ；向VSDA线上发送1个数 ;据字节 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 ；从VSDA线上读取1个数 ;据字节 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 ；虚拟I2C总线发送N个 ;字节数据
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 ；模拟I２Ｃ总线接收n个 ;字节数据
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应用指南
1. 适用范围
VIIC1.0适用于80C51系列单主系统中I2C总线外围器件扩展的应用程序设计。由于时序模拟基于6MHz时钟设计，在高速时钟下，可适当增加时序模拟子程序中的空操作指令。
2. 资源占用
VIIC使用了R0，R1，R2，R3，F0，C等资源。
3. 符号单元
PVIIC中有许多符号标记，这些符号标记有：
VSDA 虚拟I2C总线数据线；
VSCL虚拟I2C总线时钟线；
SLA寻址字节存放单元；
NUMBYT传送字节数存放单元；
MTD发送数据缓冲区；
MRD接收数据缓冲区。
4. 归一化操作命令
不论总线上扩展什么外围器件，都只须使用以下三条指令：
MOV SLA，#SLAW/SLAR
MOVNUMBYT，#N
LCALLWRNBYT/RDNBYT
5. VIIC的装载
由于WRNBYT/RDNBYT都使用长调用命令LCALL，故VIIC1.0可放在程序存储器的任意空间。 图1
6. 通用的应用界面
VIIC1.0的应用界面如图1所示。与VIIC1.0有关的只是3条归一化操作命令；与硬件电路相关的是器件地址与引脚地址构成的寻址字节和由器件规定的数据操作格式。

五、 VIIC1.0应用示例

在本文参考文献２中给出了一些基于VIIC软件包的外围串行扩展应用实例。现就带I2C总线接口LED显示驱动器SAA1064扩展8位LED显示电路来示范VIIC1.0的应用。
1. 硬件电路与寻址字节
用2片SAA1064扩展的8位LED显示电路如图2（b）所示，图2(a)为SAA的引脚排列图。设80C51用P1.1/P1.0来虚拟SDA/SCL口线。两片SAA1064的ADR引脚分别接地和VCC。SAA1064(1)、(2)的器件地址为0111，引脚地址为000和111，因此它们的寻址字节SLAW/SLAR分别为70H/71H和76H/77H。
2. 显示原理与数据操作格式
在I2C总线外围器件的数据手册中，都给出了实现器件功能的数据操作格式，以及实现功能的控制命令与寄存器的管理模式。
(1) SAA1064的数据操作格式 80C51只须对SAA1064进行写操作，便实现了LED的显示驱动控制。SAA1064的写数据操作格式如下：

只须对SAA1064中首地址为SUBADR的5个寄存器单元中依次写入控制命令COM和4个LED共阴极段码datal～data4，SAA1064的SUBADR=00H。
控制命令COM格式及位功能规定如下：

D7 D0

C0静、动态显示选择。C0=1，动态显示。
C1显示位1，3暗亮选择。C1=1，选择亮。
C2显示位2，4暗亮选择。C2=1，选择亮。
C3测试位。C3=1，所有段点亮。
C4，C5，C6驱动电流控制位。C4，C5，C6为 “1”时，驱动电流分别为3mA，6mA，12mA；皆为1时输出驱动电流最大，达21 mA。
3. 应用程序设计
按下列步骤完成图2（b）的8位LED显示程序设计。 图2
(1) 将VIIC1.0装入程序存储器中。
(2) 根据硬件电路及资源分配，将VIIC1.0中的符号单元赋值如下：
VSDA EQU P1.1 ；用P1.1虚拟SDA
VSCL EQU P1.0 ；用P1.0虚拟SCL
SLA EQU 50H ；50H为寻址字节存放单元
NUMBYT EQU 51H ；51H为传送字节数据存放单元
MTD EQU 30H ；30H为发送缓冲区首地址
(3) 8位LED显示子程序设计
这里介绍1个在图2(b)LED显示器上显示“bUAA0706”固定字符的子程序。

根据SAA1064的数据操作格式，点亮4个LED只须依首地址SUBADR顺序送入控制命令COM和4个LED共阴极段选码data1～data4。
设LED驱动电流为18 mA(C6，C5为高电平；C4为低电平)动态显示要求(C2，C1，C0为高电平)故COM=67H。SAA1064(1)显示“0706”的段码依次是7DH，3FH，07H，3FH；SAA1064(2)显示“bUAA”的段码依次为77H，77H，3EH，7CH。因此，SAA1064(1)，(2)的数据操作格式具体化为

P设显示“bUAA0706”的子程序名为VSAA8。VSAA8的程序清单如下：
VSDA EQU P1.0
VSCL EQU P1.1
SLA EQU 50H
NUMBYT EQU 51H
MTD EQU 30H
VSAA8： MOV 30H，#00H；将SUBADR,COM,LED共 ；阴极段码data1～data4 ；依次装入发送缓冲区
MOV 31H，#67H
MOV 32H，#7DH
MOV 33H，#3FH
MOV 34H，#07H
MOV 35H，#3FH
MOV SLA，#70H；寻址SAA104(1)并为发送 ;状态
MOV NUMBYT，#06H；确定发送字节数
LCALL WRNBYT；调用VIIC1.0中N个字节写 ;入子程序
MOV 30H，#00H；将SUBADR，COM，data1～ ;data4依次装入发送缓冲区
MOV 31H，#67H
MOV 32H，#77H
MOV 33H，#77H
MOV 34H，#3EH
MOV 35H，#7CH
MOV SLA，#76H ； 寻址SAA1064(2)并为发 ；送状态
MOV NUMBYT，#06H ；确定发送字节数
MOV WRNBYT；调用VIIC1.0中N个字节写 ；入子程序
RET
如果要随意显示内存中的8个BCD码，可开辟显示缓冲区DISRAM，设计1个子程序，将显示缓冲区中的8个BCD码转换成共阴极段码再和SUBADR和COM一道送入MTD中，然后使用VIIC1.0的三条操作命令即可。
从上述应用可看出，使用VIIC软件包后，编写应用程序不必了解I2C总线原理、协议和时序，只要了解VIIC的应用操作即可。MES
参考文献
1何立民. I2C总线应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，1995
2何立民. 单片机高级教程. 北京：北京航空航天大学出版社，2000
本刊第3期将刊登“虚拟I2C总线软件包的开发及应用”。