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本文介紹了I2C總線的結構、工作原理、數據傳輸方式，討論了基于I2C總線的多機通信軟硬件設計，實現了程控交換多機通信調度指揮系統。I2C(Inter Integrated Circuit)總線是Philips公司開發的一種雙向兩線主機總線，它能方便地實現芯片間的數據傳輸與控制。通過兩線緩沖接口和內部控制與狀態寄存器，可方便地完成多機間的非主從通信或主從通信。基于I2C總線的多機通信電路結構簡單、程序編寫方便，易于實現系統軟硬件的模塊化和標準化。
本調度指揮系統由主機和調度操作臺兩部分組成，工作原理如圖1所示，兩者間通過RS422總線實現較長距離的數據傳送。主機和操行臺內部均采用分散多處理器控制，處理器間采用I2C總線進行數據通信。
圖1
主機內部采用分散控制方式，整個交換系統被分割成多個用戶子系統及1個通信子系統，每個子系統由一個CPU處理單元負責128個用戶的呼叫控制和管理，多個子系統之間通信I2C組成一個無主通信總線進行信息交互(如呼叫處理信息、維護信息等)，構成一個完整的交換系統。 調度操作臺由操作臺控制CPU、顯示屏及多個用戶鍵板構成，支持128～1024個操作按鍵和256～2048個LED指示燈，每個操作按鍵可縮位一組電話號碼對應主機內的一個電話用戶，雙燈組合指示該電話用戶狀態，并支持LCD中文顯示。操作臺內部主控CPU與用戶鍵板控制CPU之間通過I2CU叫線組成主從通信總線進行信息交互(按鍵信息、LED顯示信息)。
1.2主機I2C總線構成
子系統的CPU處理單元由Philips-80C652單片機配合外圍電路(如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和I/O驅動等)構成，80C652具有一個支持雙向數據傳送的I2C總線串行接口，I2C總線邏輯根據路徑自動地進行數據傳送。CPU對I2CU總線的訪問通過以下四個特殊功能寄存器完成： S1CON(D8H) SIO1控制寄存器 S1STA(D9H) SIO1狀態寄存器 S1DAT(DAH) SIS1數據寄存器 S1ADR(DBH) SIO1從地址寄存器 SIO1邏輯通過P1.6/SCL和P1.7/SDA兩個引腳連接到外部I2C總線，可工作于以下四種模式：主發送模式、主接收模式、從接收模式、從發送模式。各子系統間的I2C接口復接即構成了主機I2C通信總線，通票用無主通信方式，每個CPU既可以響應通用地址的廣播呼叫，也可以進行點對點的通信，完全滿足程控交換的信息傳送要求且結構簡單。連接示意圖如圖2所示。
圖2
1.3 調度臺I2C總線構成
操作臺控制CPU板由Philips-80C652單片機配合外圍電路(如EPROM、RAM、EEPROM、譯碼和顯示驅動電路等)構成，其P1.6- SCL、P1.7-SDA為I2C總線接口SIO1。單片機的SIO1通過MC3486/3487與主機通過RS422接口通信，SIO1與用戶鍵板的 P87LPC764通信，最多可支持63塊用戶鍵板的通信連接。 每個用戶鍵板均采用Philips-P87LPC764單片機控制，每塊鏈板提供64個用戶按鍵及128個用戶鍵燈。P87LPC764是51LPC系列 OTP單片機，其最大特點是改進型80C51系列，增加了WDT看門狗、I2C總線、三個模擬量比較器、上電復位檢測，保證I/O口驅動電流達到 20mA，運行速度為標準80C51的2倍，而且溫度范圍達到了工業級標準(-40℃～+85℃)。該芯片的I2C總線系統包括一個可簡化軟件驅動的 I2C總線硬件。除了必要總線仲裁、錯誤檢測、時鐘擴展和總線超時定時器外，包括一個一位接口，這個接口通過循環查詢或中斷同步軟件。 采用該設計的優點在于系統擴充性強，軟件功能分擔：由P87LPC764進行按鍵掃描和LED顯示處理，大大減輕了主CPU-80C652的負擔;由于 P87LPC764性價比優越，比專用鍵盤電路更便宜，功能上也可靈活改變;鍵板可按需配置，只需簡單的4線連接(SDA、SCL、+5V、GND)。調度臺I2C總線連接示意圖如圖3所示。
圖3
2.1 I2C總線的數據傳送方式
I2C總線器件之間通信串行數據線SDA和串行時鐘線SCL傳送數據，交換信息。每個器件(微控制器、LCD驅動器、存儲器或鍵盤接口)都要設置一個獨特的地址碼以示驅別。根據通訊要求，器件可以工作于發送或接收方式，并允許有多個設備作為主站控制總線。總線上主和從、發送和接收的關系僅取決于每次數據傳送的方向。
2.2 I2C總線傳輸數據格式
I2C總線的數據傳送格式如圖4所示。 S:start信號; SLA：從機地址，也可以是通用地址; R/W：讀寫控制位; A：ACK響應; DATA0～DATA7：每組傳送8個數據字節; S/P：下一個start或stop信號。
圖4
首先發送開始(start)信號，然后傳送第一個字節：高7位是從機地址，低位表示讀/寫(R/W)狀態，“0”表示寫操作，“1”表示讀操作。由于 CPU之間采用無主通信或主從通信，一般只采用主發送和從接收模式，因此該位均值0表示數據發送;總線上的每個物理器件判斷接收的地址與本機地址是否一致，地址一致，返回ACK，進行正常的數據傳送。每個地址或數據后必須跟應答信號，當一個正常的應答信號有效時，SCL時鐘為高電平，接收模塊數據線 SDA置低，同時按字節傳送數據，傳送結束由發送端發送stop信號或下一個start信號。 從機地址由各CPU按統一原則進行分析，主機各子系統可按各自的系統號從01H開始編排，00H作為通用呼叫地址;調度臺80C652地址取 01H，P87LPC764地址范圍為40H～7FH，其它地址待擴充。 處理器之間采用固定8字節數據通信：DATA0、DATA1、DATA2、DATA3、DATA4、DATA5、DATA6、DATA7。 DATA0：目的地址，發送時可根據該地址確定從機地址; DATA1：源地址; DATA2：消息編碼，可按需分配; DATA3～DATA7：該消息應攜帶的其它必要信息。 以調度臺為例，80C652向P86LPC764發送LED燈顯示數據：目址、源址、55H(消息編碼)，鍵地址、左燈狀態、右燈狀態、#0EEH、#0EEH。 目址：即P87LPC764地址、40H～7FH; 源址：即80C652地址，01H; 鍵地址：每片P86LPC764所處理的按鍵地址，00H～3FH(64鍵); 燈狀態：即讓對應燈處于滅、常亮、閃爍等狀態值。
3 通信軟件設計
主機和調度臺80C652單片機上電時首先裝載本機從地址和通用地址，設置I2C總線為高中斷。由中斷處理程序自動接收數據存入數據緩沖區并查詢是否有數據發送，若有，進行相應發送信息，按要求進行相關處理，并查詢是否有數據需發送，若有填入發送緩沖區，設置待發送S1CON標志，由中斷處理程序發送。鍵板I2C總線軟件處理過程為：鍵板P87LPC764初始化，裝載本機從地址，設置定時器I為高中斷，PIC總線普通中斷。主程序中進行I2CU總線數據發送檢查，進行重發處理;接收數據處理;待發送數據處理及設置主站待發。定時器I負責監視I2C總線，計時溢出復位I2C接口硬件。I2C中斷處理程序完成數據的接收和發送工作。本設計采用I2C總線實現調度指揮系統中多模塊間的雙向通信，電路設計簡單，易于模塊化及擴展。
