摘  要： 描述了基于I2C總線多步進(jìn)電機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，介紹了I2C總線通信協(xié)議的特點(diǎn)，給出了I2C總線在1片主MSP430G2553和8片從MSP430G2553之間數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖和整個(gè)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)框架，完成了基于I2C總線的單主多從通信，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路步進(jìn)電機(jī)的控制。

　　關(guān)鍵詞： I2C總線；MSP430G2553；單主多從；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

　　I2C總線是兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少、控制方式簡單、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹一種利用I2C總線協(xié)議，通過單主多從模式，利用1段音頻信號(hào)控制8個(gè)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同方向、速率的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1 I2C總線技術(shù)

　　1.1 I2C總線接口

　　本文所用的芯片主要為TI公司的MSP430G2553芯片，其中的I2C模式是通過USCI_Bx模塊來進(jìn)行配置的，本文主要應(yīng)用了USCI_B0模塊[1]。在I2C模式中，USCI通過兩線式I2C串行總線提供了MSP430與I2C兼容器件的連接。外部器件串行依附在I2C總線上，通過2-線I2C接口為USCI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)或從USCI接收數(shù)據(jù)。如圖1所示，I2C總線由時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA構(gòu)成，在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負(fù)跳變），為I2C的開始信號(hào)[2]。在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，是I2C的終止信號(hào)。

　　如圖2所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。

　　關(guān)于傳輸速度，I2C總線在標(biāo)準(zhǔn)模式最高為100 kb/s，高速模式最高為400 kb/s。

　　1.2 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸

　　I2C總線傳輸數(shù)據(jù)必須遵循規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸格式[2]，主機(jī)給每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸位產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，I2C模式對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行操作。在主機(jī)設(shè)置好I2C為發(fā)送模式后，USCI模塊會(huì)檢測(cè)總線是否可用，產(chǎn)生START條件。本文中將音頻信號(hào)依據(jù)頻率分為8段，并且每段對(duì)應(yīng)不同的從機(jī)地址，如此便可依據(jù)不同頻率將音頻信號(hào)發(fā)送給不同的從機(jī)。I2C模式支持7位和10位尋址模式[3]，本文運(yùn)用了7位尋址模式。如圖3所示，在7位尋址模式中，第一個(gè)字節(jié)是7位從機(jī)地址和R/W位。接收器在每個(gè)字節(jié)結(jié)束后發(fā)送ACK位。

　　所有掛到I2C總線的外圍器件各自都有一個(gè)唯一確定的地址[2]。任何時(shí)刻總線上只有一個(gè)主控器件對(duì)總線實(shí)行控制權(quán)，分時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。I2C總線上所有外圍器件都有規(guī)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(gòu)成了I2C總線器件的尋址字節(jié)SLA，格式如圖4所示。

　　其中高4位（A6、A5、A4、A3）是I2C總線外圍接口器件固有地址編碼，器件出廠時(shí)已固化好。A0~A2是對(duì)從機(jī)分配的不同地址，本文中MSP430G2553的高4位為0100[1]，一共可以掛接8個(gè)單片機(jī)。而最低位R/W為數(shù)據(jù)方向位，當(dāng)R/W為0時(shí)，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)R/W為1時(shí)，主機(jī)接收數(shù)據(jù)。本文中主機(jī)只用于發(fā)送數(shù)據(jù)，故R/W位一直為0。本文中的8個(gè)從機(jī)地址分別為：40H、42H、44H、46H、48H、4AH、4CH和4EH。

　　故總線上的數(shù)據(jù)傳輸過程[4]是：（1）主控制器發(fā)送開始信號(hào)S；（2）主控制器發(fā)送芯片尋址字節(jié)；（3）從器件發(fā)出應(yīng)答信號(hào)ACK；（4）主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)尋址字節(jié)；（5）發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)，接受者接收數(shù)據(jù)；（6）主控制器發(fā)送停止信號(hào)P終止數(shù)據(jù)傳輸。其流程圖如圖5所示。

2 I2C的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　圖6是本文所研究平臺(tái)的整體框圖，在此系統(tǒng)中8個(gè)從機(jī)對(duì)應(yīng)8種不同音符頻段，分別控制8個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)的主要功能是通過PC由MATLAB對(duì)給定音頻進(jìn)行編碼[5]，產(chǎn)生單片機(jī)可用的曲譜編碼，然后通過串口將所產(chǎn)生的編碼發(fā)送給主MSP430G2553，主機(jī)在尋址時(shí)先判斷編碼范圍，然后通過I2C總線尋址相應(yīng)的從機(jī)，并向被尋址的MSP430G2553發(fā)送相應(yīng)的音頻編碼。從機(jī)將所接收到的音頻編碼作為定時(shí)器的定時(shí)周期，利用定時(shí)器產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　為實(shí)現(xiàn)單主多從單片機(jī)MSP430G2553之間的通信，將主機(jī)I2C總線上的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）分別與從機(jī)的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）相連接，并且在VCC與SCL、SDA兩個(gè)信號(hào)之間分別接上10 k?贅的上拉電阻，如圖7所示。由此從機(jī)的P1.6就成了時(shí)鐘接收端，P1.7為數(shù)據(jù)接收端。通過編程將主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)送入Buff，從機(jī)通過讀Buff中的數(shù)據(jù)將其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為頻率改變的方波，并通過P1.5口將其發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的功能。

3 I2C單主多從通信

　　首先將USCI模塊初始化，使主機(jī)/從機(jī)可以進(jìn)行接收/發(fā)送操作，初始化過程如下[6]：將USCI中軟件復(fù)位位UCSWRST置位來初始化所有的USCI寄存器，配置P1.6和P1.7分別為I2C的SCL端口和SDA端口，通過UCMST和UCMODEx選擇I2C模式和主機(jī)或從機(jī)模式。然后通過置位UCSEEL_2來選擇主機(jī)時(shí)鐘為SMCLK  （1 MHz），并將主時(shí)鐘12分頻為100 kHz作為主機(jī)中的SCL時(shí)鐘[1]。上述模塊初始化完成后，清除UCSWRST，釋放USCI，使能發(fā)送中斷。

　　對(duì)于主發(fā)送模塊，初始化之后需要把從地址設(shè)置為7 bit，再將目標(biāo)從地址寫入寄存器UCB0I2CSA中。本系統(tǒng)將所給的音頻信號(hào)按照頻率分為8段，每段對(duì)應(yīng)不同的從機(jī)地址，使主機(jī)通過判斷與不同的從機(jī)地址相匹配。初始化完成后通過置位UCRT和UCTXSTT，使主機(jī)工作在發(fā)送模式并產(chǎn)生一個(gè)起始條件。當(dāng)?shù)刂纷x入U(xiǎn)CB0I2CSA中后，硬件會(huì)自動(dòng)識(shí)別并找到與之相對(duì)應(yīng)的從機(jī)，一旦地址匹配則UCSTTIFG置位，主機(jī)進(jìn)入LPM0模式并且觸發(fā)中斷，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)CB0TXBUF中，當(dāng)從機(jī)地址被應(yīng)答時(shí)UCTXSTT位即刻清零。本文中將音頻信號(hào)裝入數(shù)組中，當(dāng)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后產(chǎn)生一個(gè)STOP條件，并將UCB0TXIFG清零同時(shí)退出低功耗模式。圖8為主機(jī)發(fā)送模式流程圖。

　　對(duì)于從接收模塊，由于要對(duì)主機(jī)中讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本文中選用定時(shí)器A將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的脈沖波，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。因此需要先將定時(shí)器A初始化[7]，為了不影響主機(jī)中SMCLK，本文使定時(shí)器A工作在ACLK時(shí)鐘下。隨后將其USCI模塊設(shè)置為I2C接收模式，并且無需設(shè)置USCI時(shí)鐘。一旦從設(shè)備中UCB0RXBUF接收到的新數(shù)據(jù)被讀走，從設(shè)備即發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給主設(shè)備，然后開始下一個(gè)數(shù)據(jù)的接收。定時(shí)器A將接收到的數(shù)據(jù)通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生頻率改變的方波，并通過P1.5口輸出，從而控制步進(jìn)電機(jī)依據(jù)音頻信號(hào)的不同頻率來變速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9為從機(jī)接收模式流程圖。

4 結(jié)論

　　本文介紹的I2C總線單主多從通信系統(tǒng)占用I/O資源少，功耗低，傳輸速率高，能夠以較高性能控制步進(jìn)電機(jī)隨音樂轉(zhuǎn)動(dòng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，主從單片機(jī)可以通過該總線系統(tǒng)進(jìn)行非常可靠的通信，進(jìn)而可在各個(gè)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。

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