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

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


典型的 I2C 总线结构

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。


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。


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。


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。

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。


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。


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：

I2C 总线传输


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；


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。

I2C 总线模块--I2C 总线寄存器及操作

I2C寄存器及功能

寄存器功能I2C_CFG 配置 - 基本的操作模式，过采样率和中断选择I2C_XCFG 配置 - 配置扩展特性I2C_CLK_DIV1I2C_CLK_DIV2

时钟分频 - 设置波特率

I2C_CSR 控制 / 状态 - 用来控制数据字节流，和在传输过程中跟踪总线状态I2C_MCSR 主模式控制 / 状态 - 实现 I2C 组帧控制和提供总线状态I2C_ADR 从设备地址 - 用于硬件识别从设备地址，保持 7 位从设备地址I2C_D 数据 - 提供对数据移位寄存器的读 / 写访问


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。

引脚对端口引脚寄存器设置I2C0 P12[4,5] I2C_XCFG[6]=1 ， I2C_XCFG[7]=0

I2C1 P12[0,1] I2C_XCFG[6]=1 ， I2C_XCFG[7]=1

任何其他 GPIO/SIO对

可选择 I2C_XCFG[6]=0 ，根据选择的引脚对设置其它DSI 和 GPIO 寄存器


波特率的设置

波特率 = 总线时钟频率 / （时钟分频因子 * 过采样率）

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。


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。


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；

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。

从缓冲区的结构


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) ；


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。


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。


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。


两次写交易后的情况


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。


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( ); } }

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。


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 。


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。


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; }

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 */

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 */

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。

I2C 模块通信的实现-- 系统实现原理

例化名字元件名字元件范围描述I2C_M I2C Master(Fixed Function) Communications 固定功能的 I2C 主模块I2C_S I2C Slave(UDB) Communications 通用数字块 I2C 从模块Pin_SDA_M Digital Bidirectional Pin Ports and Pins I2C 主模块数据引脚Pin_SDA_S Digital Bidirectional Pin Ports and Pins I2C 从模块数据引脚Pin_SCL_M Digital Bidirectional Pin Ports and Pins I2C 主模块时钟引脚Pin_SCL_S Digital Bidirectional Pin Ports and Pins I2C 从模块时钟引脚Pin_WriteSwitch Digital Bidirectional Pin Ports and Pins 数字输入引脚Pin_ReadSwitch Digital Bidirectional Pin Ports and Pins 数字输入引脚clock Clock System 时钟输入LCD Character LCD Display 字符型 LCD

isr_WriteSwitch Interrupt System 中断模块isr_ReadSwitch Interrupt System 中断模块ZeroTerminal_1 Logic Low ’0’ Logic ‘逻辑 0’

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；

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;

I2C 模块通信的实现-- 添加并配置 I2C 主模块

图 9.6 I2C 主模块配置界面

3 ．点击“OK”按钮，关闭配置界面。

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

I2C 模块通信的实现-- 添加并配置 I2C 从模块

图 9.7 I2C 从模块配置界面3 ．点击“OK”按钮，关闭配置界面。

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

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

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

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

I2C 模块通信的实现-- 添加并配置中断控制器

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

I2C 模块通信的实现-- 添加并配置字符 LCD

图 9.10 字符 LCD 配置界面

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。

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；图 9.12 引脚分配界面

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

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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第 9 章 I2C 总线模块