基于I2C总线多步进电机实验平台的开拓_总线_暗记

0 弁言

I2C总线是两线式串行总线，用于连接微掌握器及其外围设备，是微电子通信掌握领域广泛采取的一种总线标准。
它是同步通信的一种分外形式，具有接口线少、掌握办法大略、器件封装形式小、通信速率较高档优点。
本文先容一种利用I2C总线协议，通过单主多从模式，利用1段音频旗子暗记掌握8个单片机实现不同方向、速率的迁徙改变。

1 I2C总线技能

1.1 I2C总线接口

本文所用的芯片紧张为TI公司的MSP430G2553芯片，个中的I2C模式是通过USCI_Bx模块来进行配置的，本文紧张运用了USCI_B0模块[1]。
在I2C模式中，USCI通过两线式I2C串行总线供应了MSP430与I2C兼容器件的连接。
外部器件串行寄托在I2C总线上，通过2-线I2C接口为USCI模块发送数据或从USCI吸收数据。
如图1所示，I2C总线由时钟线SCL和数据线SDA构成，在时钟线SCL保持高电日常平凡代，数据线SDA上的电平被拉低（即负跳变），为I2C的开始旗子暗记[2]。
在时钟线SCL保持高电日常平凡代，数据线SDA被开释，是I2C的终止旗子暗记。

如图2所示，进行数据传送时，在SCL呈现高电日常平凡代，SDA上的电平必须保持稳定，只有在SCL为低电日常平凡代，才许可SDA上的电平改变状态。

关于传输速率，I2C总线在标准模式最高为100 kb/s，高速模式最高为400 kb/s。

1.2 I2C总线数据传输

I2C总线传输数据必须遵照规定的数据传输格式[2]，主机给每个数据传输位产生一个时钟脉冲，I2C模式对数据位进行操作。
在主机设置好I2C为发送模式后，USCI模块会检测总线是否可用，产生START条件。
本文中将音频旗子暗记依据频率分为8段，并且每段对应不同的从机地址，如此便可依据不同频率将音频旗子暗记发送给不同的从机。
I2C模式支持7位和10位寻址模式[3]，本文利用了7位寻址模式。
如图3所示，在7位寻址模式中，第一个字节是7位从机地址和R/W位。
吸收器在每个字节结束后发送ACK位。

所有挂到I2C总线的外围器件各自都有一个唯一确定的地址[2]。
任何时候总线上只有一个主控器件对总线实施掌握权，分时实现点对点的数据传送。
I2C总线上所有外围器件都有规范的器件地址，器件地址由7位组成，它和1位方向位（R／W）构成了I2C总线器件的寻址字节SLA，格式如图4所示。

个中高4位（A6、A5、A4、A3）是I2C总线外围接口器件固有地址编码，器件出厂时已固化好。
A0~A2是对从机分配的不同地址，本文中MSP430G2553的高4位为0100[1]，一共可以挂接8个单片机。
而最低位R/W为数据方向位，当R/W为0时，主机发送数据，当R/W为1时，主机吸收数据。
本文中主机只用于发送数据，故R/W位一贯为0。
本文中的8个从机地址分别为：40H、42H、44H、46H、48H、4AH、4CH和4EH。

故总线上的数据传输过程[4]是：（1）主掌握器发送开始旗子暗记S；（2）主掌握器发送芯片寻址字节；（3）从器件发出应答旗子暗记ACK；（4）主掌握器发送数据寻址字节；（5）发送者发送数据，接管者吸收数据；（6）主掌握器发送停滞旗子暗记P终止数据传输。
其流程图如图5所示。

2 I2C的系统硬件构造

图6是本文所研究平台的整体框图，在此系统中8个从机对应8种不同音符频段，分别掌握8个电机的转速。
系统的紧张功能是通过PC由MATLAB对给定音频进行编码[5]，产生单片机可用的曲谱编码，然后通过串口将所产生的编码发送给主MSP430G2553，主机在寻址时先判断编码范围，然后通过I2C总线寻址相应的从机，并向被寻址的MSP430G2553发送相应的音频编码。
从机将所吸收到的音频编码作为定时器的定时周期，利用定时器产生相应的脉冲旗子暗记，从而驱动电机迁徙改变。

为实现单主多从单片机MSP430G2553之间的通信，将主机I2C总线上的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）分别与从机的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）相连接，并且在VCC与SCL、SDA两个旗子暗记之间分别接上10 k?赘的上拉电阻，如图7所示。
由此从机的P1.6就成了时钟吸收端，P1.7为数据吸收端。
通过编程将主机发送的数据送入Buff，从机通过读Buff中的数据将其实时转换为频率改变的方波，并通过P1.5口将其发送给电机驱动器，从而实现掌握步进电机的功能。

3 I2C单主多从通信

首先将USCI模块初始化，使主机/从机可以进行吸收/发送操作，初始化过程如下[6]：将USCI中软件复位位UCSWRST置位来初始化所有的USCI寄存器，配置P1.6和P1.7分别为I2C的SCL端口和SDA端口，通过UCMST和UCMODEx选择I2C模式和主机或从机模式。
然后通过置位UCSEEL_2来选择主机时钟为SMCLK （1 MHz），并将主时钟12分频为100 kHz作为主机中的SCL时钟[1]。
上述模块初始化完成后，打消UCSWRST，开释USCI，使能发送中断。

对付主发送模块，初始化之后须要把从地址设置为7 bit，再将目标从地址写入寄存器UCB0I2CSA中。
本系统将所给的音频旗子暗记按照频率分为8段，每段对应不同的从机地址，使主机通过判断与不同的从机地址相匹配。
初始化完成后通过置位UCRT和UCTXSTT，使主机事情在发送模式并产生一个起始条件。
当地址读入UCB0I2CSA中后，硬件会自动识别并找到与之相对应的从机，一旦地址匹配则UCSTTIFG置位，主机进入LPM0模式并且触发中断，将要发送的数据写入UCB0TXBUF中，当从机地址被应答时UCTXSTT位即刻清零。
本文中将音频旗子暗记装入数组中，当所有数据发送完毕后产生一个STOP条件，并将UCB0TXIFG清零同时退出低功耗模式。
图8为主机发送模式流程图。

对付从吸收模块，由于要对主机中读取的数据进行处理，本文中选用定时器A将其数据转换为对应的脉冲波，从而达到掌握电机的目的。
因此须要先将定时器A初始化[7]，为了不影响主机中SMCLK，本文使定时器A事情在ACLK时钟下。
随后将其USCI模块设置为I2C吸收模式，并且无需设置USCI时钟。
一旦从设备中UCB0RXBUF吸收到的新数据被读走，从设备即发送一个应答旗子暗记给主设备，然后开始下一个数据的吸收。
定时器A将吸收到的数据通过定时器中断产生频率改变的方波，并通过P1.5口输出，从而掌握步进电机依据音频旗子暗记的不同频率来变速迁徙改变。
图9为从机吸收模式流程图。

4 结论

本文先容的I2C总线单主多从通信系统占用I/O资源少，功耗低，传输速率高，能够以较高性能掌握步进电机随音乐迁徙改变。
从实验结果来看，主从单片机可以通过该总线系统进行非常可靠的通信，进而可在各个领域取得广泛运用。

参考文献

[1] MSP430x2xx Users′ guide[Z].2004.

[2] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机事理与运用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 贾朱红，张晓冬.基于I2C总线的单主多从单片机之间的通信[J].微打算机信息，2009（8）：101-102.

[4] 邓忠华，李霞，陈浩.I2C总线技能在单片机串行扩展中的运用[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2005（2）：227-229，247.

[5] 孙金中，冯炳军.基于I2C总线掌握的音频处理电路设计[J].当代电子技能，2009（18）：85-88.

[6] 吴小平，李莉，何鑫，等.I2C总线及其数据通信编程[J].微打算机信息，2000（2）：11-13.

[7] 陈光建，贾金玲.基于单片机的I2C总线系统设计[J].仪器仪表学报，2006（S3）：2465-2466，2472.