摘　要：为提高8051系列单片机I2C总线的工作效率,提高整机工作性能,根据I2C总线协议设计了8051单片机的I2C接口电路。用VHDL语言进行设计,并用MAXPLUSⅡ进行编译仿真,下载芯片为有EPM7128SLC84 - 15。

    关键词：8051单片机;I2 C总线;VHDL;并行扩展 

    1　引　言

　　I2C总线接口器件在视频处理、移动通信等领域的应用已经非常普遍。另外,通用的I2C总线接口器件,如带I2C总线的RAM,ROM,A/D,D/A,LCD驱动器等,也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。随着I2C接口器件越来越广泛的应用,8051系列单片机与他之间的通信越来越频繁。

　　8051系列单片机与I2C总线接口器件通信时,8051的通用口与I2C总线器件的SCL,SDA连接。根据I2C总线数据传输协议,8051必须对其两个通用口进行频繁的置位、清零。根据基于51指令系统编制的汇编程序,传送一位数据,需要9个机器周期,而对于8051,一个机器周期要耗费6个时钟周期,即用54个时钟周期才能传送一位数据。如此则极大地占用了CPU的工作时间,降低了系统的工作效率,导致I2C器件的优势难以显现。因此,有必要设计8051与I2C总线的专用接口电路。该接口电路能够对I2C总线上的数据进行自动收发,而CPU只需要通过并口访问该接口电路中的有关寄存器就可以实现与I2C器件的数据交换,从而使整个系统的性能得到提高。本设计用VHDL硬件描述语言为工具,用ALTERA公司的 MAXPLUSⅡ软件进行编译仿真,下载芯片为EPM7128SLC84-15。

    2　设计目标和要求

　　为了提高数据传送的速度,设计一个I2C接口电路。8051不直接与I2C器件交换数据,而是通过并口与该I2C接口电路交换数据,I2C总线上的数据传送也通过该I2C接口电路来完成。从而通过CPU的外部存储器读写指令就可实现与I2C器件的数据交换,使对串口的操作用并口的方式来实现。

　　在I2C接口电路内部有一个控制寄存器CI0和一个数据寄存器CI1,即I2C接口电路占用两个地址。通过写控制寄存器CI0的内容实现对I2C接口电路的编程,读写数据寄存器CI1的内容实现与I2C器件的数据交换。在CI0中的内容定义了8051对I2C器件进行操作的类型(读或写)和I2C器件内地址的字节数等信息,使I2C接口电路能够识别从8051传来的数据是地址还是数据、8051将要发送数据还是接收数据以及数据的长度等。

　　如果8051要发送数据给I2C器件,则根据I2C总线协议,在数据CI1接收到第一个数据后启动I2C总线,然后将CI1中的数据进行并串转换后逐位发出,发出完毕后设置一个标志位,使8051知道可以发送下一个总线后首先写I2C器件内地址,然后进行数据接收,进行串并转换后将接收到的数据装入CI1中,再设置标志位,使8051知道可以读出数据。
 　　根据上述设计要求,I2C接口芯片的引脚如图1所示。其中clk可以使用独立的时钟,使I2C总线的位传送速度远高于8051的位操作,从而可使I2C总线的数据传送接近并口的数据速率;a0是地址信号输入,a0＝0时进行CI0写操作,当a0＝1时进行CI1读/写操作;bz为标志输出位,bz＝0时,8051需要等待,bz＝1时8051可以对CI1操作。

　　I2C接口芯片在系统中的情况如图2所示。这里8051对I2C接口芯片操作使用了查询方式,也可以改用中断方式

    3　并行接口设计的实现

    3．1　接口设计的内部结构

　　该芯片的内部结构图如图3所示。系统由控制寄存器CI0,数据寄存器CI1,并串转换,串并转换,移位寄存器以及I2C控制模块6部分构成。

    3．2　方式控制字

　　8051向控制寄存器CI0写控制字,实现对I2C接口的编程控制。CI0的控制字格式如下所示：

    A2,A1,A0位：对与8051相连的I2C器件组的片选(器件地址)。对应不同值时选择不同的器件通信。　　

    R/W：用来控制8051对I2C器件的读写操作。1表示8051对I2C器件读数据;0表示8051对I2C器件写数据。
    M1M0：当S＝1时的4种工作方式：
    ①I2C总线未连接,要进行写操作。
    ②I2C总线未连接,要进行读操作。
　　③I2C总线已连接,换一个I2C器件或换新地址,要进行写操作。
　　④I2C总线已连接,换一个I2C器件或换新地址,要进行读操作。
　　S：工作控制位。当S＝0时,关闭I2C总线,其他情况S＝1。
　　DZS：指明8051对I2C器件读写的地址数。具体为：
    0：8051对I2C器件内单字节地址读写。　　
    1：8051对I2C器件内双字节地址读写。

    3．3　I2C模块对I2C传输协议的实现

　　根据I2C数据传输协议,时钟为高电平时,数据线由高电平向低电平跳变,启动I2C数据传输。然后每到来一个时钟脉冲,传送一位串行数据,第8个脉冲到来后,已完成一个字节的传输,第9个脉冲时,发送应答信号。写数据时,I2C器件收到数据,发送应答信号;读数据时,8051收到数据,发送应答信号。数据传送过程中,时钟为高电平期间,数据线上的内容保持不变。数据传送完毕,应答结束后,需要用停止信号停止数据传输,时钟高电平时,数据线由低电平向高电　　55平跳变来实现此停止信号。

　　I2C模块实现I2C数据传输协议。start信号为1时,启动数据传输;write信号为1时,向I2C器件写数据,read信号为1时,向I2C器件读数据。

　　读写过程中,输出标志位flag、计数器dcnt,控制en的两位矢量,从而控制并串转换寄存器和串并转换寄存器的并入、移位、保持、清零操作。停止信号为1时,结束数据传输。

    3．4　接口芯片的工作原理与控制过程

　　8051向控制寄存器CI0写控制字,实现对I2C接口的编程控制;向数据寄存器CI1写数据,实现对I2C接口的数据传输。

　　当bz＝1时,8051才对数据寄存器读写,而每次读写后接口电路自动将bz置0,在接口电路完成有关操作等待8051的读写时将bz置1。

    (1)I2C总线未连接,要进行写操作。8051的操作：

　　①写控制字W1;②当bz＝1时写器件内地址第1字节;③当bz＝1时写器件内地址第2字节…;④当bz＝1时写第1字节…。
    I2C的操作：

　　当接收到该控制字W1后操作为：①置bz＝1,启动I2C总线;②根据控制字中的器件地址发出第1个字节(器件选择、写);③发送器件内地址,置bz＝1;④发送数据内容,置bz＝1…。

    (2)I2C总线未连接,要进行读操作。8051的操作：

　　①电路写控制字W2;②写器件内地址第1字节; ③当bz＝1时写器件内地址第2字节…;④当bz＝1时读第1字节…。

　　I2C的操作：

    当接收到该控制字W2后操作为：①置bz＝1,启动I2C总线;②根据控制字中的器件地址以出第1个字节(器件选择、写);③发送器件内地址;④关闭I2C总线;⑤启动I2C总线;⑥第2次发送器件选择字节、读;⑦接收数据内容,置bz＝1…。

　　(3)I2C总线已连接,换一个I2C器件或换新地址,要进行写操作。

    8051的操作：

　　①写控制字W5;②当bz＝1时写器件内地址第1字节;③当bz＝1时写器件内地址第2字节…;④当bz＝1时写第1字节…。

    I2C的操作：

　　当接收到该控制字W5后操作为：①置bz＝1,关闭I2C总线;②启动I2C总线;③根据控制字中的器件地址发出第1个字节(器件选择、写);④发送器件内地址,置bz＝1。

　　(4)I2C总线已连接,换一个I2C器件或换新地址,要进行读操作。

    8051的操作：

　　①电路写控制字W6;②写器件内地址第1字节; ③当bz＝1时写器件内地址第2字节…;④当bz＝1时读第1字节…。
    I2C的操作：

　　当接收到该控制字W6后操作为：①置bz＝1,关闭I2C总线;②启动I2C总线;③根据控制字中的器件地址发出第1个字节(器件选择、写);④发送器件内地址;⑤关闭I2C总线;⑥启动I2C总线;⑦第2次发送器件选择字节、读;⑧接收数据内容,置bz＝1…。

    4　结　语

　　扩展接口芯片设计采用VHDL语言实现,芯片设计的全部程序均通过ALTERA公司的MAXPLUSⅡ软件编译,仿真结果正确。编译、仿真后的VHDL程序经下载线下载至EPM7128SLC84-15芯片,验证正确。设计的接口时钟要求6 MHz,可直接和单片机接口连接。

　　扩展后的接口,传送一位数据只需要4个时钟周期。扩展的接口,访问I2C器件的时钟可以自行设定,他们之间的通信不需要等待8051。一旦8051的并行数据送出,该接口可立即用自己设定的速度传送。从而该接口在8051和I2C器件之间通信时,数据的传送可达到并行的速度,这就是本接口扩展设计的最大优点。　　

    由于使用的设计软件是ALTERA公司的MAXPLUSⅡ软件,下载仿真芯片为EPM7128SLC84该芯片延迟时间为15 s,延时时间过长;接口的设计本身对数据传输的时钟也可进一步减少,更进一步提高数据传输的速度。基于以上两点,还需要对本设计进一步优化,以期进一步提高性能与速度。

　　参考文献 

［1］何立明．I2C总线应用系统设计［M］．北京：北京航天航空大学出版社,1995．
［2］曾繁泰,陈美金．VHDL程序设计［M］．北京：清华大学出版社,2002．