1 引 言

       I2C總線" title="I2C總線">I2C總線是由Philips公司開發(fā)的2線式串行總線,，由于其簡單,、高效、互聯(lián)成本小而被廣泛地用于微控制器與外圍設(shè)備的連接,。AT91SAM7X256" title="AT91SAM7X256">AT91SAM7X256是Atmel公司于2005年推出的基于ARM7" title="ARM7">ARM7的工業(yè)級芯片,，他以體積小、功耗低,、連接方式廣泛,、處理資源豐富、控制靈活等特點(diǎn)受到嵌入式領(lǐng)域開發(fā)人員的重視,。本文介紹AT91SAM7X256的I2C控制器TWI接口(two-wired interface)的使用方法,，并以I2C設(shè)備E2PROM和日歷時鐘芯片為例，實(shí)現(xiàn)AT91SAM7X256對時間數(shù)據(jù)的讀取與存儲,。同時,，為了驗(yàn)證時間數(shù)據(jù)的讀取與存儲是否正確，使用AT91SAM7X256的在線仿真器J-LINK將E2PROM中的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存進(jìn)行檢查,。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊結(jié)構(gòu)

       電路的硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

       AT91SAM7X256的TWI接口由一根時鐘線TWCK和一根數(shù)據(jù)線TWD組成，產(chǎn)生的信號時序符合I2C總線規(guī)范；PCF8563是Philips公司推出的一款內(nèi)含I2C總線接口功能的工業(yè)級時鐘芯片,；AT24C08是Atmel公司推出的符合I2C規(guī)約的兩線串口E2PROM,。AT91SAM7X256的TWCK和TWD分別與芯片PCF8563和AT24C08的SCL與SDA相連，CPU通過TWI接口將時間數(shù)據(jù)讀出并存儲,。為了保證CPU不沖突的訪問PCF8563和AT24C08,，本文將AT24C08的A2管腳接高電平。由于I2C總線空閑時為高電平,，所以為實(shí)現(xiàn)“線與”功能,，總線上連接的設(shè)備均是集電極開路的，因此總線需外接上拉電阻R,。AT91SAM7X256的TWI有主從2種工作模式,，本文中AT91SAM7X256作為控制方，應(yīng)工作于主模式,。

2.2 AT91SAM7X256的TWI接口

       AT91SAM7X256的TWD和TWCK管腳與設(shè)備的I／O管腳復(fù)用,，同時AT91SAM7X256采用單獨(dú)控制功能單元的省電方案，電源管理單元PMC控制各功能單元的時鐘是否工作,，所以要使用TWI接口,，需要首先配置TWD和TWCK為外設(shè)連線和開路狀態(tài)，其次配置PMC使TWI時鐘處于工作狀態(tài),。

       TWI接口可提供高達(dá)400 kb／s的傳輸速率，為使得數(shù)據(jù)的傳輸速率面向不同應(yīng)用,，可以通過配置時鐘脈沖發(fā)生器的控制寄存器TWI_CWEG調(diào)整TWCK的信號頻率,。

       TWI接口產(chǎn)生的信號時序符合I2C總線規(guī)范，當(dāng)讀／寫1個字節(jié)數(shù)據(jù)時,，主設(shè)備需提供從設(shè)備的設(shè)備地址,、內(nèi)部地址、讀寫控制以及起始標(biāo)志和停止標(biāo)志,。在數(shù)據(jù)的收發(fā)過程中,，主要使用控制寄存器TWI_CR、主模式寄存器TWI_MMR,、內(nèi)部地址寄存器TWI_IADR,、狀態(tài)寄存器TWI_SR、傳輸保持寄存器TWI_THR和接收保持寄存器TWI_RHR,。從設(shè)備地址在TWI_MMR中設(shè)置,，從設(shè)備的內(nèi)部地址在TWI_IADR中設(shè)置；在TWI_CR中設(shè)置是否發(fā)送起始信號和停止信號,；NAK(無應(yīng)答),、OVER(運(yùn)行錯誤)、TXRDY(發(fā)送準(zhǔn)備好),、RXRDY(接收準(zhǔn)備好),、TX-COMP(傳輸完成)等狀態(tài)位通過查詢WI_SR得到,。

       寫數(shù)據(jù)的過程包括：當(dāng)TWI_THR寫入數(shù)據(jù)后，CPU產(chǎn)生起始信號啟動傳輸,，TWI_THR中的數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后由TWD傳輸出去,，當(dāng)CPU收到從設(shè)備的應(yīng)答信號后，TWI_SR的TXRDY將自動置“1”,，說明數(shù)據(jù)已寫入從設(shè)備,。讀數(shù)據(jù)的過程包括：CPU發(fā)出起始信號后，若TWI_SR的RXRDY位為“1”,，則說明TWI_RHR中有數(shù)據(jù)等待接收,，當(dāng)TWI_RHR中的數(shù)據(jù)被讀出后，則RXRDY自動置為“0”,。當(dāng)讀／寫數(shù)據(jù)完畢后,，CPU將產(chǎn)生一個停止信號結(jié)束傳輸，TWI_SR的TXCOMP將自動置“1”,。

2.3 PCF8563日歷時鐘芯片的使用方法

       按I2C協(xié)議規(guī)約,，PCF8563具有惟一的設(shè)備地址0A2H。本文重點(diǎn)研究PCF8563時,、分,、秒數(shù)據(jù)的讀取方法，在此用到的內(nèi)部寄存器包括控制／狀態(tài)寄存器1(地址為00H),、秒寄存器(地址為02H),、分寄存器(地址為03H)、小時寄存器(地址為04H),。由于寄存器中以BCD格式存儲時,、分、秒數(shù)據(jù),，所以各時間時間寄存器的高位無效,。

       為使PCF8563工作于普通模式，需要將控制／狀態(tài)寄存器1置為00H,，同時為了存儲正確的時間數(shù)據(jù),，需要將讀到的數(shù)據(jù)中無效的高位進(jìn)行屏蔽。若需要校對時間,，只需對時,、分、秒寄存器進(jìn)行寫操作即可,。

2.4 AT24C08的使用方法

       AT24C08是容量為8192 b(1024 B)的E2PROM,。AT24C08內(nèi)部分為4頁，每一頁有256字節(jié)單元，所以若要訪問某個單元則需要10位進(jìn)行尋址,，其中最高兩位是頁地址,，低8位是頁內(nèi)地址。設(shè)備地址的定義如圖2所示,，其中P1P0對應(yīng)頁地址,，管腳A2可為AT24C08設(shè)定兩組設(shè)備地址。當(dāng)A2為低電平時,，4頁的設(shè)備地址分別為0A0H,，0A2H，0A4H,，0A6H,；當(dāng)A2為高電平時；反之為0A8H,，0AAH,，0ACH，0AEH,。因此,，為了避免AT24C08與PCF8563的設(shè)備地址沖突，需將A2連接高電平,。

       AT24C08的寫操作支持“字節(jié)寫”和“頁面寫”兩種方式,。“字節(jié)寫”方式中每寫一個字節(jié)均需主設(shè)備提供起始信號、設(shè)備地址,、內(nèi)部地址以及停止信號,；“頁面寫”方式即連續(xù)寫數(shù)據(jù)，需主設(shè)備提供起始標(biāo)志,、設(shè)備地址以及內(nèi)部地址，數(shù)據(jù)全部寫完后再發(fā)送停止標(biāo)志,。

       AT24C08的讀操作支持“當(dāng)前地址讀”,、“隨機(jī)讀”和“順序讀”3種方式。“當(dāng)前地址讀”表示從當(dāng)前內(nèi)部地址單元讀出1個字節(jié),，所以主設(shè)備僅需提供起始信號,、設(shè)備地址和停止信號；“隨機(jī)讀”表示從任意內(nèi)部地址單元讀出1個字節(jié),，所以主設(shè)備需要先提供1次起始信號,、設(shè)備地址、寫操作,、設(shè)備內(nèi)部地址和停止信號,，設(shè)定設(shè)備的內(nèi)部地址，之后再按“當(dāng)前地址讀”方式讀數(shù)據(jù)即可；“順序讀”表示從當(dāng)前地址開始連續(xù)讀多個字節(jié),，所以主設(shè)備需提供起始信號,、設(shè)備地址、讀操作,，數(shù)據(jù)全部讀完后再發(fā)送停止信號,。

       為了快速讀寫數(shù)據(jù)，本文采用頁面寫的方式將數(shù)據(jù)寫入AT24C08,；采用“隨機(jī)讀”和“順序讀”相結(jié)合的方式讀取AT24C08數(shù)據(jù),。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 TWI初始化程序的設(shè)計(jì)

       根據(jù)TWI的功能特點(diǎn)，TWI初始化的初始化包括以下4步：

(1)配置PIO控制器使復(fù)用管腳驅(qū)動TWI信號,；

(2)配置PMC使TWI時鐘處于工作狀態(tài),；

(3)配置TWI為主工作模式。本文CPU為主設(shè)備,，日歷和存儲芯片為從設(shè)備,；

(4)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速率，配置TWI時鐘波形發(fā)生器寄存器,。

3.2 PCF8563驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)

       為了控制PCF8563的工作方式,，需要對其寫入控制字；為了得到PCF8563輸出的時間信息,，需要對其進(jìn)行讀操作,，讀／寫數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。

       本文設(shè)計(jì)編寫如下讀函數(shù)和寫函數(shù)：

       其中,，pTwi是結(jié)構(gòu)體指針,，指向的結(jié)構(gòu)體中存放TWI的寄存器，通過pTwi即可訪問各TWI寄存器,；address表示設(shè)備地址,；im_address表示設(shè)備內(nèi)部地址；data代表讀寫數(shù)據(jù)的變量指針,。

       因此,，若使PCF8563工作于普通模式，并讀“時”數(shù)據(jù),，可用以下代碼實(shí)現(xiàn)：

3.3 AT24C08驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)

       由于AT24C08由4個具有不同設(shè)備地址的頁組成,，且采用連續(xù)讀寫數(shù)據(jù)的操作方式，所以AT24C08的讀寫與PCF8563讀寫有以下幾點(diǎn)區(qū)別,。

(1)先設(shè)置TWI_CR的起始標(biāo)志,，之后通過TWI_RHR和TWI_THR讀／寫TWI接口的數(shù)據(jù)；發(fā)送最后一個數(shù)據(jù)之前,，再設(shè)置TWI_CR的停止標(biāo)志,。

(2)對于多字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫,，全部數(shù)據(jù)若沒有傳輸完畢，便不發(fā)送停止信號,，所以需通過判斷TWI_SR寄存器中的TXRDY和RXRDY決定是否讀TWI_RHR和寫TWI_THR,，而將是否出現(xiàn)停止信號作為是否停止發(fā)送和接收的判斷依據(jù)。

(3)由于數(shù)據(jù)量和起始單元均是隨機(jī)的,，所以有可能出現(xiàn)一頁寫不下的情況,，因此針對給定的數(shù)據(jù)量和起始單元參數(shù)需要計(jì)算出共需幾頁，以便在進(jìn)行頁面切換時更換設(shè)備地址,。

       本文設(shè)計(jì)編寫了如下讀函數(shù)和寫函數(shù),。

       其中，nb為讀／寫的字節(jié)數(shù),，data表示存放讀寫數(shù)據(jù)數(shù)組變量的首指針,。

3.4 軟件的調(diào)試與運(yùn)行

       本文采用IAR開發(fā)環(huán)境和J-LINK仿真器進(jìn)行軟件的在線調(diào)試和加載運(yùn)行。調(diào)用函數(shù)完成以下程序設(shè)計(jì)：首先從PCF8563連續(xù)讀出若干數(shù)據(jù)并寫入AT24C08,；其次,，將AT24C08中的數(shù)據(jù)讀至數(shù)組變量中。在程序中的讀完AT24C08數(shù)據(jù)后設(shè)置斷點(diǎn),，觀測數(shù)組中存放的數(shù)據(jù),，從而驗(yàn)證驅(qū)動程序的正確性。

4 結(jié) 語

       本文介紹了PCF8563和AT24C08的使用方法,，通過分析基于ARM核的AT91SAM7X256的TWI接口控制方法,，設(shè)計(jì)PCF8563和AT24C08的驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)時鐘數(shù)據(jù)的讀取和存儲,。

       本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動模塊已成功地用于智能煤礦分站實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,，完成了歷史時間數(shù)據(jù)的記錄功能，同時本文為ARM控制多個I2C設(shè)備提供了可以借鑒的方法,。