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第 9 章 I2C 总线模块

第 9 章 I2C 总线模块. 何宾 2011.12. 本章内容. 本章主要是介绍 PSoC3 内的 I2C 总线模块，其内容主要 包括： I2C 总线模块概述、 I2C 总线实现原理、 I2C 总线寄存 器及操作、 I2C 总线操作模式和 I2C 模块通信的实现。 I2C 总线模块是 PSoC3 所提供的一个重要功能单元，通 过本章内容的学习，不仅能了解和掌握 I2C 总线模块的工作 原理，还能掌握使用 PSoC3 实现 I2C 总线模块通信的方法。. I2C 总线模块 --I2C 总线模块概述.

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第 9 章 I2C 总线模块

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  1. 第9章 I2C总线模块 何宾 2011.12

  2. 本章内容 本章主要是介绍PSoC3内的I2C总线模块，其内容主要 包括：I2C总线模块概述、I2C总线实现原理、I2C总线寄存 器及操作、I2C总线操作模式和I2C模块通信的实现。 I2C总线模块是PSoC3所提供的一个重要功能单元，通 过本章内容的学习，不仅能了解和掌握I2C总线模块的工作 原理，还能掌握使用PSoC3实现I2C总线模块通信的方法。

  3. I2C总线模块--I2C总线模块概述 I2C外设提供了同步两线接口用来与PSoC设备进行 连接，I2C总线与Philip的I2C规范V2.1版本兼容。额外的 I2C接口能通过使用UDB进行例化。 图 I2C总线模块图

  4. 典型的I2C总线结构 I2C总线模块--I2C总线模块概述 当在单板上有多个设备或者小的系统构成一个网络 时，系统能被设计使用一个单主设备和多个从设备， 多个主设备，或者多个主和从设备的连接。

  5. I2C总线模块--I2C总线模块概述 为了减少CPU对I2C总线操作的干预，I2C外设提供 了特定支持。这个特定支持用于状态检测和帧比特位的 生成。 I2C操作模式有从模式，单主模式或多主模式。 • 从模式下，总是监听开始条件，用于开始发送或接收数据。 • 在主模式下，产生开始和停止条件，并初始化交易。多主模 式提供时钟同步和仲裁允许总线上有多个主设备存在。如果 使用主模式，不能使用从模式，模块不产生中断。 I2C接口通过DSI布线允许直接连接到任意的GPIO或 者SIO引脚。

  6. I2C总线模块--I2C总线模块概述 • I2C提供了检测7位硬件地址的功能，而不需要CPU的 干预。当I2C的7位地址匹配时，能从休眠模式中唤醒PSoC 。如果要求唤醒模式，那么I2C连接被限制在两个特殊的 SIO引脚上。

  7. I2C总线模块--I2C总线模块概述 PSoC的I2C接口主要特性包含： • 主和从，发送器和接收器操作； • 用于低CPU开销的字节处理； • 中断或者轮询CPU接口； • 支持总线速度最高为1Mbps（3.4Mbps在UDB内）； • 7或10位寻址（10位寻址要求固件支持）； • 支持系统管理总线（System Management Bus,SMBus）操作（通过固件支持-UDB内支持SMBus，这种总线基于I2C总线）； • 7位硬件地址比较； • 地址匹配从低功耗模式唤醒。

  8. I2C总线模块--I2C总线实现原理 • I2C总线由Philips半导体公司（现在为NXP）所提供的 一种简单的方法，允许多个设备在一个总线上直接的互相 通信。I2C总线特点包括： • 只使用两根线： • （1）串行数据（SDA）； • （2）串行时钟（SCL）； • 串行的8位数据传输，标准模式下最大速度为100kbps；快速模式下最大速度400kbps；快速加模式下最大速度1Mbps；高速模式下最大速度3.4Mbps。

  9. I2C总线模块--I2C总线实现原理 • 使用集电极开路或者开漏级，通过上拉电阻将设备连接到总线上（线“与”功能）。 • 每个连接到总线的设备有独一无二的地址。 • 存在简单的主/从关系； • 支持多主模式，当两个设备同时初始化数据传输时，使用冲突检测和仲裁。

  10. I2C总线传输 I2C总线模块--I2C总线实现原理 • 如下图所示，给出了一个典型的I2C总线的传输过 程。该过程主要包含以下几步：

  11. I2C总线模块--I2C总线实现原理 1. 主设备控制SCL线，产生一个开始（Start）条件， 后面跟着数据字节。数据字节包含7个从设备地址和一个 读/写（RW）位。该位设置相对于主设备的数据传输方 向。高为读，低为写。 2．从设备识别它的地址，并且在第9位的时间间隔 内，通过将数据线拉低产生应答(ACK)字节。如果从设备 没有用ACK响应第1个字节，主设备产生停止（Stop）条 件来终止数据的传输。一个重复的启动条件将用于重新 的尝试传输；

  12. I2C总线模块--I2C总线实现原理 3．主设备发送或接收（取决RW）中间的字节。 4．当数据传输结束时，主设备产生停止条件。 当接收设备需要时间将接收的数据存储或者准备要发 送的数据时，从设备可以将SCL线拉低，这样就使得主设 备进入等待状态。注意有些主设备不支持这种等待方式。

  13. I2C总线模块--I2C总线寄存器及操作 I2C寄存器及功能

  14. I2C总线模块--I2C总线寄存器及操作 I2C总线接口的操作步骤包括： 1）设置I2C_XCFG的第7位，打开I2C接口； 2）按照下表，布线SDA和SCL到期望的引脚对； 3）按照下表，设置寄存器I2C_CFG的第2位和I2C_CLK_DIV1和I2C_CLK_DIV2寄存器； 4）使能期望的操作模式。 注：所使用的端口引脚必须配置成“开漏，驱动低”模式 （模式4）。SIO引脚更适合这种应用，这是因为SIO引脚 有高电流吸收能力和过电压容限。

  15. 波特率的设置 I2C总线模块--I2C总线寄存器及操作 波特率=总线时钟频率/（时钟分频因子*过采样率）

  16. I2C总线模块-- I2C总线操作模式 I2C元件支持I2C从，主，多主和多主/从配置模式， 下面将介绍这些操作模式。 当元件配置为多主/从配置时，在从和多主直接的切 换是自动完成的。 通常，设备在从模式，直到一个主API函数调用产生 开始序列。硬件然后又处于从模式，直到产生停止序列为 止，即此时转为主模式，随后又进入从模式状态。

  17. I2C总线模块-- I2C总线操作模式 由于I2C硬件被中断所驱动，因此要求使能全局中 断。即使这个元件要求中断，设计者不需要添加任何代 码到中断服务程序中（ISR）。模块独立于代码而服务所 有的中断。 为这个接口(在应用程序和I2C主设备之间)分配的存 储器缓冲区是非常简单的双口存储器。

  18. I2C总线模块-- I2C总线操作模式 • I2C接口可以产生中断的三个条件包括： • 1．字节传输完毕； • 2．检测到I2C总线开始和停止条件； • 3．检测到I2C总线错误；

  19. 从缓冲区的结构 I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式） 从操作接口有存储器内的两个缓冲区构成。下图给 出了从缓冲区的结构。

  20. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式） 一个是用于数据从主设备写道从设备，另一个是保 留着被主设备读取的数据。注意这里的读写是从I2C主 设备的角度定义的。I2C从设备的读和写缓冲区通过下 面的命令设置： • void I2C_SlaveInitReadBuf(uint8 * rdBuf, uint8 bufSize) ； • void I2C_SlaveInitWriteBuf(uint8 * wrBuf, uint8 bufSize) ；

  21. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式） • 这些命令不分配存储器，只是复制数组指针和大小 到内部的元件变量。由于元件不能自动地生成缓冲区， 所以用于缓冲区的数组必须被程序初始化。可以使用相 同的缓冲区用于读写缓冲区，但是必须正确的管理数 据。

  22. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式） 上面函数的bufSize小于或者等于实际的数组大小， 但不能大于指向rdBuf或者wrBuf的可用的存储空间。 任何时候，传输的字节可以通过调用 I2C_SlaveGetReadBufSize或者I2C_SlaveGetWrite BufSize 函数得到。 读写超过缓冲区大小将引起溢出错误。错误将在 从状态字节中进行设置，可以调用I2C_SlaveStatus得 到。

  23. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式） • 复位指针到数组的开始，可以调用下面的命令： • void I2C_SlaveClearReadBuf(void) • void I2C_SlaveClearWriteBuf(void) • I2C多次的读或者写缓冲区，将增加数组的索引值，直到使用清除命令。 • 下图给出了执行两个写交易后的情况。

  24. 两次写交易后的情况 I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式）

  25. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式） • 当第二次交易的6个字节写完后，从设备给出NAK 信号，表示到达缓冲区的结尾。如果主机继续写，则后 续交易被放弃，产生NAK信号。 • 读或写缓冲区有四个状态位来描述信号传输的完 成，传输正在进行，缓冲区溢出，传输错误。当传输开 始时，设置忙标志。当结束时，设置传输完成标志，同 时清除忙标志。

  26. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（从模式） • 下面给出这种操作模式下的一段代码： • uint8 wrBuf[10]; • uint8 userArray[10]; • uint8 byteCnt; • I2C_SlaveInitWriteBuf((uint8 *) wrBuf, 10); • /* Wait for I2C master to complete a write */ • for(;1;) /* loop forever */ • { • /* Wait for I2C master to complete a write */ • if(I2C_SlaveStatus( ) & I2C_SSTAT_RD_CMPT ) • { • byteCnt = I2C_SlaveGetWriteBufSize( ); • I2C_SlaveClearReadStatus( ); • For(i=0; I < byteCnt; i++) • { userArray[i] = wrBuf[i]; /* Transfer data */ } • I2C_SlaveClearWriteBuf( ); • } • }

  27. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 主和多主操作是类似的，但有两点例外。 • 1）当操作在多主模式下，总线总是检查是否处于忙状 态，因为其它主设备可能正在和其它从设备通信。在这种 情况下，程序必须等待直到当前的操作完成，下一个开始 交易启动以前。 • 2）当操作在多主模式下，可以在同一时刻两个主设备 同时启动。如果这种情况发生的话，两个主设备中的一个 将要放开仲裁权。每个字节传输后，必须检查该条件。元 件将自动检查这个条件，如果丢失仲裁权，则响应这个错 误。

  28. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 当工作在I2C主设备模式下，有两个操作选项： manual和automatic。在Automatic模式，创建一个缓冲区 来保持整个传输，在写操作下，缓冲区将重新用将要发 送的数据进行填充。如果数据从从设备中读出，分配需 要最小包大小的缓冲。 在自动模式下，写一个数组字节到从设备，使用 下面的函数： • uint8 I2C_MasterWriteBuf (uint8 SlaveAddr, uint8 * wrData, uint8 cnt, uint8 mode) 其中：SlaveAddr是从设备7位的地址变量，范围0-127。

  29. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 在自动模式下，从从设备读一个数组的字节，使用 下面的函数： • uint8 I2C_MasterReadBuf (uint8 SlaveAddr, uint8 * wrData, uint8 cnt, uint8 mode) 这两个函数均返回状态值。

  30. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） • 下面给出了写从设备的一段代码： I2C_MasterClearWriteStatus(); /* Clear any previous status */ I2C_MasterWriteBuf(4, (uint8 *) wrData, 10, I2C_MODE_COMPLETE_XFER); For(;1;) { if(I2C_MasterClearWriteStatus() & I2C_MSTAT_CMPLT ) /* Transfer complete */ break; }

  31. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） • 元件也可以工作在手工模式下，在这种模式下使用各 自的命令完成写操作的每一部分。下面给出了在手工模式 下写从设备的代码： I2C_MasterClearWriteStatus(); status = I2C_MasterSendStart(4, I2C_WRITE_XFER_MODE); if(status == I2C_MSTAT_CMPLT) /* Check if transfer completed without errors */ { /* Send array of 5 bytes */ for(i=0; i<5; i++) { status = I2C_MasterWriteByte(userArray[i]); if(status != I2C_MSTAT_CMPLT) { break; } } } I2C_MasterSendStop(); /* Send Stop */

  32. I2C总线模块-- I2C总线操作模式（主/多主操作模式 ） 手工读操作和写操作是类似的，除了最后一个字节需 要被NAK。下面给出了手工模式下的读从设备的操作。 I2C_MasterClearWriteStatus(); status = I2C_MasterSendStart(4, I2C_READ_XFER_MODE); if(status == I2C_MSTAT_CMPLT) /* Check if transfer completed without errors */ { /* Read array of 5 bytes */ for(i=0; i<5; i++) { status = I2C_MasterWriteByte(userArray[i]); if(i < 4) { userArray[i] = I2C_MasterReadByte(I2C_ACK_DATA); } else { userArray[i] = I2C_MasterReadByte(I2C_NAK_DATA);} } } I2C_MasterSendStop(); /* Send Stop */

  33. I2C模块通信的实现--系统实现原理 该设计使用固定功能的I2C主模块和UDB实现的I2C 从模块。引出I2C主设备的SDA和SCL线，通过外部的连 接将其连接到I2C从模块引脚。 当按下外部按键时，I2C主模块给I2C从模块发送数据 。当按下另一个外部按键时，I2C主模块从从从设备读回 数据。表9.4给出了该设计使用的IP核资源及其功能。

  34. I2C模块通信的实现--系统实现原理

  35. I2C模块通信的实现--创建和配置工程 1．在计算机上的桌面上，选择开始->所有程序- >Cypress->PSoC Creator 2.0->PsoC Creator 2.0。打开PSoC Creator软件； 2．在PSoC Creator 2.0软件的主界面下，选择File- >New->Project...； 3．在New Project窗口，选择Empty PSoC3 Design模 板，并将工程命命名为I2C。选择工程保存路径，点击 “OK”按钮；

  36. I2C模块通信的实现--添加并配置I2C主模块 下面给出添加并配置I2C主模块的步骤，主要步骤包 括： 1．拖动并且放置I2C主模块元件到原理图内 (Components Catalog->Communcation-> I2C->I2C Master(Fixed Function))。 2．双击理图内的I2C主模块，打开配置窗口，如图 9.6，I2C主模块的参数配置如下： • Name：I2C_M • Mode：Master • Data Rate：100 • Implementation: Fixed Function;

  37. 图9.6 I2C主模块配置界面 I2C模块通信的实现--添加并配置I2C主模块 3．点击“OK”按钮，关闭配置界面。

  38. I2C模块通信的实现--添加并配置I2C从模块 1．拖动并且放置I2C从模块元件到原理图内 (Components Catalog->Communcation-> I2C->I2C Slave(UDB)。 2．双击理图内的I2C从模块，打开配置窗口，如图9.7 ，I2C从模块的参数配置如下： • Name：I2C_S • Mode: Slave • Slave Address:4 • Implementation: UDB • Address Decode: Hardware • UDB Clock Source: External Clock • 其它按照默认参数配置

  39. 图9.7 I2C从模块配置界面 I2C模块通信的实现--添加并配置I2C从模块 3．点击“OK”按钮，关闭配置界面。

  40. 图9.8 数字输入引脚配置界面 I2C模块通信的实现--添加并配置数字输入引脚 1．拖动并且放置两个数字输入引脚元件到原理图内 (Components Catalog->Port and Pins-> Digital Input Pin。 2．双击Pin_1，打开配置窗口，如图9.8，Pin_1数字 输入引脚参数配置如下： • Name：Pin_WriteSwitch • 不选中HW Connection； General标签下： • Drive Mode：Resistive Pull Up • Initial State：High（1） Input标签下： • Interrupt：Falling Edge

  41. I2C模块通信的实现--添加并配置数字输入引脚 3．双击Pin_2，打开配置窗口，Pin_2数字输入引脚 参数配置和Pin_1配置基本一样，只是名字为： • Name：Pin_ReadSwitch

  42. I2C模块通信的实现--添加并配置中断控制器 1．拖动并且放置两个中断控制器元件到原理图内 (Components Catalog->System-> Interrupt。 2．双击isr_1，打开配置窗口，如图9.9，isr_1中断控 制器参数配置如下： • Name：isr_WriteSwitch • InterruptType：DRIVED 3．双击isr_2，打开配置窗口， isr_2中断控制器参数 配置如下： • Name：isr_ReadSwitch • InterruptType：DRIVED

  43. 图9.9 中断控制器配置界面 I2C模块通信的实现--添加并配置中断控制器

  44. I2C模块通信的实现--添加并配置字符LCD 下面给出添加并配置LCD的步骤，主要步骤包括： 1．拖动字符LCD并将其放置于原理图内(Component Catalog->Display->Character LCD)。 2．双击原理图内的LCD_Char_1器件打开配置窗口。 3．如图9.10所示，在Basic标签内按如下方式进行配置： • Name：LCD； • LCD Custom Character Set：None • 选中Include ASCII to Number

  45. 图9.10 字符LCD配置界面 I2C模块通信的实现--添加并配置字符LCD

  46. I2C模块通信的实现--系统连接 使用连线工具按钮 ，将系统各个元件和引脚进 行连接。图9.11给出了连接完成后的系统结构图。

  47. 图9.12 引脚分配界面 I2C模块通信的实现--配置引脚 如图9.12所示，给出配置管脚的步骤，主要步骤包括： 1．从Workspace Explorer窗口，双击I2C.cydwr。 2．为Pin_SCL_S、Pin_ReadSwitch、Pin_WriteSwitch、 Pin_SCL_M、Pin_SDA_S、Pin_SDA_M 和LCD_Char_1分配 引脚；

  48. I2C模块通信的实现--编写软件程序 • 1. 添加代码到main.c函数 • 2. 添加代码到中断服务程序

  49. I2C模块通信的实现--编程及调试 下面给出对Cypress提供的CY8CKIT-030开发套件进行 编程的步骤，其步骤主要包含： 1．断开开发板的电源。 2．外部将I2C主设备和从设备的引脚连接； 3．板上按键和相对应的I/O引脚连接。 4．按照前一个工程所述方法进行编程。 5．编完程序之后，通过reset键重启开发板，按下不同 的按键观察LCD上显示的信息。 6．保存并关闭工程。

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