原创 基于I2C总线数据写入器的设计

关键词： 单片机   I2C   串行通信

1  引言
F `H a$i5wk44606    (Inter－Integrated Circuit)总线是一种用于连接微控制器及其外围设备的总线。总线最主要的优点是其简单和有效。由于接口直接在组件上，故其占用空间小，减少了电路板的空间和芯片引脚的数量，广泛用于智能化仪表。现在有的MCU已提供接口，但对于没有直接支持总线的MCU则需要用软件进行模拟。本文以AT89S52单片机为核心，与PC进行通信，实现具有总线的EEPROM AT24C04读写功能，构成一种数据写入器，用于仪器仪表等设备中表格、曲线和参数等的读写。所有程序用C语言完成。

2  单片机和PC两方的通信格式
~Z%W6K B8_`44606    本设计中的数据通信格式如下:第一字节为发给MCU的命令，第二字节保留。后16字节是所要写入的数据。但在开始操作时最先发送的仅为前2字节。命令有如下几种:写命令(CMD_WRITE)、读命令(CMD_READ)、操作结束命令(CMD_OVER)、状态检查命令(CMD_CHECKOK)。
{2^ s(wL2i$Rn5N44606    两方的通信过程大致如下:PC发出前缀为CMD的命令，然后监听串口等待MCU返回的前缀为RSP的准备就绪的回应(写入时为 RSP_WRITEREADY;读出时为RSP_READREADY)，若超时则给出错误提示;收到该回应后进行读写操作;结束时PC发出结束命令并等待 MCU的结束回应;若正确收到该回应则提示成功，否则提示操作完成但未收到回应。在写操作中，每发送18字节进行一次确认。另外，由于读芯片中是读出的所有内容，故此时PC不发结束命令而只等待结束回应。
9U{c nq"F44606    在执行写操作时，PC都以CMD_WRITE为命令发送18字节的数据并等待MCU的RSP_WRITTEN。在执行读操作时，PC先接受MCU发来的以     RSP_READ为回应的18字节数据，然后再发送1个字节的命令CMD_READ。

3  I2C总线时序模拟电子园51单片机学习网 {;M*uQ rJ
     本设计使用的EEPROM为AT24C04，它可用串行总线。由于89S52不直接支持总线，因此只能使用IO口来模拟的总线时序。89S52可以进行位寻址，这给时序模拟带来了方便。
A#Lzmr5}2O zM44606(1) 通信开始信号
_h~.h G44606    根据的规程，通信开始信号是当SCL(串行时钟信号)处于高电平时在SDA(串行数据信号)上给出一个下跳沿，且下跳沿后，SCL还要维持高电平4μs。此过程可用如下代码模拟:
.S{HB&M44606_SDA=1;电子园51单片机学习网,kK#r }EV)@S4CK
_SCL=1;电子园51单片机学习网!V0cMT'cs}8kj6pW
 _nop_();
b3WI)t Ar44606 _nop_();
5b[ J n{(r RW44606 _nop_();电子园51单片机学习网/B"V0A+@t6G1Kh4F
 _nop_();电子园51单片机学习网4i/FEiX6@h
_SDA=0;  // 下跳沿
"uEg[ D B44606 _nop_();
o t0n:iw:n)i"Bk)m(W44606 _nop_();电子园51单片机学习网3sw2U@(?v,@JVS
 _nop_();
S;DTpq*^^2LF44606 _nop_();  // 维持SCL为高电平4us电子园51单片机学习网(X2U$B&F1Pqcb9}&b9MH
_SCL=0;
XA!@ yKiw44606(2) 通信停止信号
drofL B/Z+Y*?44606通信停止信号是当SCL为高电平时在SDA上出现一个上跳沿，且SDA上跳前的低电平应维持4us以上。此过程模拟代码和开始信号类似，在此省略。
V oA FB$D2p\2LI44606(3) 字节传送完毕确认信号
W Zd9h/N#V44606该信号是在SDA为低电平时SCL上出现一个正脉冲，此过程可用如下代码模拟:电子园51单片机学习网Y@ y6~6?%\
_SDA=0;
[+C2D8R.{*e4Dc44606 _SCL=1;
^:I7]a F0K[b&A44606 _nop_();电子园51单片机学习网V'ag*Rbi
 _nop_();
#Ml9t s&dR1l44606 _nop_();电子园51单片机学习网:GOj9l%\R7}
 _nop_();
Nj!tx9fSi'U44606_SCL=0;
y!a}CGMa9Wir44606_SDA=1;
2oeB;L?%tMpZ44606(4) 非确认信号
aZUSf B(y*g*_4E$d44606该信号便于控方传送停止信号，在SDA为高电平时，SCL上出现一个正脉冲，除此，模拟代码和字节传送完毕确认信号类似，不再赘述。
w6XAF0S _6B44606利用上述基本操作，并根据AT24C04的时序关系，可以写出对AT24C04进行读写的程序。由于AT24C04中的缓存是16字节，因此在读写时，均是以16字节为单位的。AT24C04总大小为512字节，其中又分了两页，在操作时还应同时指定要操作的页。电子园51单片机学习网3d/N#K/t0z WyU

b N.Y/k{ u446064  MCU方的通信
^B&u!szu8],S^44606    进入读、写函数后，MCU都要回应PC方发来的命令，以确认准备就绪，所以在读写程序中，并不立即对EEPROM操作。数据写读的流程图如图1和图2所示。其中RSP_WRITEREADY为对写入准备好的回应，RSP_READREADY为对读出准备好的回应，RSP_READ为成功读出一段数据的回应，RSP_FIN为操作完成的回应。电子园51单片机学习网"x&f&Q"B"c?F2y*ox

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图1    写入EEPROM

图2    读入EPPROM电子园51单片机学习网rmk8a\D7h

K2z ~9@.b0at44606 

u.| z6qI Z^446065  PC方的串行通信电子园51单片机学习网r~Q? D$F:i,d E
    PC方的串行通信使用类CSerialComm来完成。在PC上完成串行通信可用微软的MSComm通信控件，但这样就需要带上封装这个控件的库文件，否则程序不能独立运行。因此本设计采用以Win32 API写成的CSerialComm类来完成。
t[R7|xG"q;iv?44606CSerialComm类继承自CIoController，封装了和串行通信相关的功能。主要成员函数功能如下:电子园51单片机学习网6s},G Z3W?3z3z
    Open:打开指定的端口。参数指定了所要打开的端口名称，为一个字符串。这个函数打开的串口是同步的。
;o'i9G.rM"m_44606    SetState:设置串口的状态。参数是一个CSerialState类的指针。电子园51单片机学习网R8nCkGE#z
    SetTimeout:设置操作的超时时间，超过了这个时间，读写操作将返回。
#gg hW;fI~e44606    CSerialComm类只提供基本的串口操作，而且不能发送窗口消息，不便于编写Windows的基于消息的程序，因此，从CSerialComm继承一个类CI2CWriter进一步封装对串口的操作，主要成员函数功能如下:
2k+j2e#I eY/d44606InitPort:调用了CSerialComm的Open函数来打开一个串口，并保留拥有这类对象的窗口指针，以便发送消息。电子园51单片机学习网g4p#|h2},H$S
    Notify:向窗口消息，以通知当前的读写状态。
vm1TsO:f3aW44606    BeginWrite，BeginRead，BeginVerify，BeginCheckMCU:分别为开始写、读、校验和检测MCU的状态。它们将产生相应的工作线程。
|h.z$O+ub M)e-l44606OpenFile:这个函数用于打开要写入到EEPROM中的文件。参数是所要写入的文件的路径名。由于AT24C04的容量是512字节，故该函数对文件的长度作了限制。
D-y3[Z,V} |44606(1) PC方的写入线程
"e*Q S(F0R8]44606    流程见图3。在写入线程被创建后，它将向MCU发送写命令CMD_WRITE，然后等待MCU的回应RSP_WRITEREADY。成功收到该回应后，写线程将以CMD_WRITE为命令向MCU发送数据，每发送一组，写线程都会等待MCU回应RSP_WRITTEN，成功收到这个回应后，写线程继续发送后面的数据。写入完成时，写线程发送写入结束命令CMD_OVER，并等待MCU回应RSP_FIN以确认完成了写操作。成功收到此回应后，将弹出提示。

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图3    写入线程的流程图

yIA:M4^r8ns44606电子园51单片机学习网7OP"bx$}8S9{ D
    写入线程与界面线程的通信通过向界面线程发消息来实现。写入线程可发如下的消息:WM_ _WRITEOVER，WM_ _BLOCKFINISH，WM_ _COMMFAILED。
2{&UpBe@9x+Y7f44606    WM_ _WRITEOVER消息提示界面线程写入已经结束。这时界面线程启用校验和读出按钮，禁用写入按钮，向消息框里加入一条写入完成的消息。电子园51单片机学习网e&x%^A%QF(r3it
WM_ _BLOCKFINISH提示界面线程一个数据块 操作已经完成，界面线程在接收到这条消息后设置进度条，以显示当前的进度。
xtU@5[+B44606WM_ _COMMFAILED提示界面线程通信失败，读出按钮可用，写入不可用。电子园51单片机学习网5M,\|#^]
(2) PC方的读出线程电子园51单片机学习网.FQC,K `-WV b(bh
    流程见图4。在读出线程被创建后，它将向MCU发送写命令CMD_READ，然后等待MCU的回应RSP_READREADY。成功收到回应后，读线程将发送CMD_READ命令到MCU，并接收MCU返回的数据。成功收到数据后，读线程检查第一个字节是否为RSP_READ。若是，则保存收到数据，然后再次发出CMD_READ命令。如此反复，直到512字节(32个块)全部完成。电子园51单片机学习网eV7H"f4E S[

图4    PC方的读出流程图电子园51单片机学习网Z R ]{9^VR)Qp(ea

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e WWk)]44606    读出线程与界面线程的通信也是通过向界面线程发消息来实现的。读出线程可发如下的消息:WM__REA DOVER，WM_I2C_BLOCKFINISH，WM_ _COMMFAILED。其中后两个消息的意义和写线程所发的消息意义一样，所做的工作也是一样的。WM_ _READOVER提示界面线程读出已经完成，界面线程收到这条消息后，将在读出开始时被禁用的读出按钮设为可用，清除进度条并在消息框里加入一条读出完成的消息。
8J*ZOO)}r1M44606 
&t(f,e:d)l{0D*d446066  结束语电子园51单片机学习网!Ke4A^z$ZC5|?O
    以上介绍了从PC向总线的EEPROM写入数据的基本方法，它既可以经扩充后自成一个系统，比如文本阅读器，也可以作为模块用在其他系统中。对于总线时序的模拟代码则可以当成通用程序使用。

参考文献
{&E)JBQ2k'T44606[1] 李群芳. 单片微型计算机与接口技术(第2版). 北京:电子工业出版社,2005电子园51单片机学习网-l J}0^ N,S`5a+O_P
[2] Jim Beveridge. Multithreading Applications  in  Win32 Pearson Education电子园51单片机学习网 c7U KX`P6h