??? 摘 要：一種具有I²C串行總線的微控制器系統存儲器和電源監控的完全解決方案。結合CAT1025芯片給出了LPC2103微控制器系統的電源監控復位電路，介紹了基于I²C總線的2Kb EEPROM存儲器的讀寫過程，給出了相關應用程序流程圖與部分軟件程序。
??? 關鍵詞：I²C總線；電源監控；CAT1025；EEPROM

?

??? I²C BUS（Inter Integrated Circuit BUS）是NXP半導體公司推出的芯片間串行傳輸總線，它以2根連線實現了完善的全雙工同步數據傳送，可以極方便地構成多機系統和外圍器件擴展系統。I²C總線采用了器件地址的硬件設置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統具有最簡單而靈活的擴展方法。該總線由1條串行時鐘線SCL和1條串行數據線SDA組成，在同一組I2C總線上，可以掛接多個CPU及被控芯片，CPU 既可以作為主器件, 控制I²C總線的工作模式, 也可以作為從器件, 在其他CPU的控制下發送或接收數據^[1]。
1 LPC2103中的I²C總線接口
??? LPC2103是一個基于支持實時仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，內部集成了兩路高速I²C總線，與I²C總線接口有關的專用寄存器有：(1)I2CONSET控制置位寄存器。當向該寄存器寫入1時，I²C控制寄存器中相應位置位，寫0到I²C控制寄存器的相應位沒有影響;(2)I2STAT狀態寄存器。在I2C操作中，該寄存器提供詳細的狀態碼使軟件確定所需的下一步操作; (3)I2DAT數據寄存器。發送接收的數據都可從該寄存器寫入或讀取; (4)I2ADR從地址寄存器。包含從機模式下I²C接口操作的7位從地址; (5)I2SCLH占空比寄存器高半字和I2SCLL占空比寄存器低半字。分別用來確定I²C時鐘的高時間和低時間; (6)I2CONCLR控制清零寄存器。當向該寄存器中的位寫1時，I²C控制寄存器中相應位被清零。
1.1 I²C電氣連接
??? I²C總線接口均為開漏或開集電極輸出，因此需要為總線增加上拉電阻Rp。總線速率越高，總線上拉電阻就越小，100Kb/s總線速率通常使用5.1 KΩ的上拉電阻^[2]，如圖1 所示。

?

?

??? 其中數據發送起始信號和停止信號較為特殊，在SCL為高電平時，SDA從高電平向低電平切換表示起始信號；在SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平切換表示停止信號。起始和停止信號一般由主機產生。起始信號作為一次傳送的開始，在起始信號后總線被認為處于忙狀態。停止信號作為一次傳送的結束，在停止信號的某段時間后，總線被認為再次處于空閑狀態。重復起始信號既作為上次傳送的結束，也作為下次傳送的開始。如圖3 所示^[3]。

?

?

??? 發送起始信號后傳送的第1字節數據具有特別的意義，其中前7位為從機地址，最后1位為讀寫方向位（0表示寫，1表示讀）。結合本系統，為實現I2C總線方式下對CAT1025的讀寫，發送起始信號第1字節前7位為從器件CAT1025的地址，如圖4所示。

?

?

??? I²C總線數據傳送時，每傳送1個字節數據后都必須有應答信號(A)。主控器接收數據，如果要結束通信時，將在停止位之前發送非應答信號,如圖5所示。

?

?

??? LPC2103在I²C通信中可以配置為主控器也可以作為被控器，它具有4種操作模式：主發送模式、主接收模式、從發送模式和從接收模式。在本系統中為了實現對CAT1025內EEPROM存儲器讀寫，采用了主發送模式和主接收模式。
2 與CAT1025的I²C總線配置
??? CAT1025是基于微控制器系統的存儲器和電源監控的完全解決方案。它利用低功耗CMOS技術將2Kb的串行EEPROM存儲器和帶掉電保護的系統電源監控電路集成在一起。存儲器采用400 kHz的I²C總線接口。由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓的工作特性，導致其噪聲容限低，對電源紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性和電源監控的可靠性等諸多方面有很高的要求。采用I²C接口的專用電源監控復位芯片CAT1025設計復位和I2C電路，保證了系統可靠性，其電路原理如圖6所示^[4-5]:

?

?

??? CAT1025包含1個精確的Vcc監控測電路和2個開漏輸出：RESET和。當Vcc低于復位閾值電壓時，RESET引腳將變為高電平，將變為低電平。CAT1025還含有1個寫保護輸入（WP），如果WP連接高電平，則寫操作被禁止。LPC2103的P0.2和P0.3口若工作在第二功能模式下為I²C 0路的時鐘線和數據線，分別與CAT1025的SCL與SDA相連。Vcc電壓監控電路提供了硬件數據保護功能，防止在Vcc降到低于復位閾值電壓或上電時Vcc上升到復位閾值電壓之前對存儲器執行寫操作。I²C總線對CAT1025進行讀寫操作的過程介紹如下。
2.1 I²C接口的配置
??? 圖7 為I²C總線操作初始化流程圖。

?

?

??? 使用LPC2103的I2C 0路總線實現對CAT1025的讀寫。設置P0.2和P0.3口工作在第二功能模式下：
??? PINSEL0 = (PINSEL0 & (~0xF0)) | 0x50; /* P0.2：IICSCL, P0.3：IICSDA*/
??? 為了控制I²C通信的波特率，需要設置 I2SCLH、I2SCLL寄存器。其中I2SCLH定義SCL高電平所保持的PCLK周期數，而I2SCLL定義SCL低電平所保持的PCLK周期數。
??? I2SCLH = (Fpclk / uiFi2c + 1)? / 2; /* 設定I2C時鐘*/
??? I2SCLL? = (Fpclk / uiFi2c) / 2;
??? 對I2CONCLR、I2CONSET寄存器進行設置，清零I2C通信的相關標志位，使能I2C接口功能。
??? I2CONCLR = 0x2C;
??? I2CONSET = 0x40;????????????????????????????????????? /* 使能主I2C */
??? I²C總線采用中斷方式來檢測每個字節的傳送是否成功, 因此需要定義中斷處理程序, 并且使能中斷。設中斷處理程序入口地址為IRQ_I2C, 則程序語句為:
??? /*? 設置I²C中斷 */
??? VICIntSelect = 0x00000000;? /* 設置所有通道為IRQ中斷 */
??? VICVectCntl0 = (0x20 | 0x09);? /* I²C通道分配最高優先級? */
??? VICVectAddr0 = (int32)IRQ_I2C;/* 設置I²C中斷向量 */
??? VICIntEnable = 1 <<9;???????/* 使能I²C中斷 */
2.2 軟件設計^[6]
2.2.1 主模式下向CAT1025發送數據程序流程
??? /* 從起始地址0x00寫入10個數據 */
??? I2C_WriteNByte(CAT1025, ONE_BYTE_SUBA, 0x00, uiDataBuf, 10);
??? I2C_WriteNByte實現了向CAT1025器件起始地址0x00處寫入10個數據。ONE_BYTE_SUBA表示單字節地址，0x00表示從器件CAT1025起始地址，uiDataBuf表示寫入數據緩沖區指針，10表示寫入數據的個數。圖8為寫入過程程序流程圖。

?

2.2.3 I²C中斷處理過程
??? 對于硬件I²C接口，通常都使用中斷的方式進行操作。當I²C的狀態發生變化時，就會產生中斷，因此，發生I²C中斷時，必須要讀取I²C狀態寄存器，根據當前的狀態采取相應的措施。 主模式下I²C總線讀寫操作步驟：
??? （1）通過軟件置位STA進入主發送、接收模式，I²C邏輯在總線空閑后即發送一個起始條件。
??? （2）當發送完起始條件后，SI會置位，此時I2STAT中的狀態代碼為08H，該狀態代碼用于中斷服務程序的處理。
??? （3）把從地址和讀寫操作位裝入I2DAT（數據寄存器），然后清零SI位，開始發送從地址和R/W位。
??? （4）當從地址和R/W位已發送且接收到應答位之后，SI位再次置位，根據I2STAT寄存器中的狀態碼分別執行接收、發送數據動作。
??? 基于I²C總線的CAT1025存儲器和電源解決方案已經廣泛應用在各種微控制器系統中。本文給出的LPC2103微控制器系統的電源監控復位電路，保證了系統的高可靠性。利用I²C總線方式對CAT1025內2Kb EEPROM存儲器進行讀寫準確性高、速度快，可以滿足許多具有存儲性能的系統掉電后數據不丟失的要求。
參考文獻
[1]?廣州周立功單片機發展有限公司.EasyARM2103教材.2007：172-190.
[2]?梁建華，肖伸平.基于S3C44B0X 的I2C 總線設計.微計算機信息，2006(5- 2): 143- 144.
[3]?范應輝，張雷，陽富民. 基于Linnx的I2C總線驅動研究與實現[J].計算機工程與設計，2007：28-16：3953-3956.
[4]?王立平，王新梅. Linux環境下基于I2C 總線的EEPROM 驅動程序.國外電子元器件，2007(1): 4-7.
[5]?姚亞峰, 陳建文, 黃載祿.嵌入式系統中EEPROM 接口及控制電路設計. 半導體技術，2007，32（4）：328-331.
[6]?徐柳茂，黃永強，蔣念東，等.嵌入式Linux中I2C驅動程序的應用設計[J]. 國外電子元器件，2007(2): 21-25.