MSP430与I2C总线接口技术的研究

      引言

       MSP430单片机自从2000年问世以来，就以其功能完善、超低功耗、开发简便的特点得到了许多设计人员的青睐。MSP430与传统的51单片机在结构上有很大的区别。其中之一就是：在MSP430的外围接口电路中，没有提供像51那样控制外设读、写、地址锁存信号的硬件电路。与这种接口电路相适应，MSP430更倾向使用I2C总线以及ISP等基于串行接口的外围器件。另一方面，随着I2C技术的发展和成熟，其硬件结构简单、高速传输、器件丰富等特点使该类器件的应用越来越广泛。因此研究新型单片机MSP430与I2C总线接口技术有着重要的意义。本文针对这一问题进行研究，分析研究了MSP430与I2C总线接口的原理和方法，提出了高效的接口方法，介绍了优化的程序。

       1 MSP430单片机I/O端口控制特点

       与8031单片机相比，MSP430的I/O端口的功能要强大的多，其控制的方法也更为复杂。MSP430的I/O端口可以实现双向的输入、输出；完成一些特殊功能如：驱动LCD、A/D转换、捕获比较等；实现I/O各种中断。MSP430采用了传统的8位端口方式保证其兼容性，即每个I/O端口控制8个I/O引脚。为了实现对I/O端口每一个引脚的复杂控制，MSP430中的每个I/O口都对应一组8位的控制寄存器(如图1)。寄存器中的每一位对应一个I/O引脚，实现对该引脚的独立控制。寄存器的功能和数目是由该I/O口所能完成的功能以及类型确定的。[2]

       图1为MSP430的一个I/O端口的控制结构示意图。对于最基本的只能完成输入、输出功能的I/O端口其控制寄存器只有3个。其中，输入寄存器保存输入状态；输出寄存器保存输出的状态，方向寄存器控制对应引脚的输入、输出状态。本文中用来实现I2C总线接口的P6.6、P6.7都属于这类的端口。此外，有些I/O端口不但可以用作基本的输入输出，而且可以用作其他用途，比如可以作为LCD的驱动控制引脚。这类端口的控制功能寄存器实现引脚功能状态的切换。再者，有一类端口不但可以完成上述两种端口的功能，而且可以实现中断功能。该类端口拥有图1中所有的寄存器，中断触发的方式以及中断的屏蔽性都可以通过相应的寄存器控制。本文中使用的P2.0就属于该类端口，利用它来接收LM92发出的中断。

       通过上述的控制结构，MSP430的I/O端口可以实现很丰富的功能。不仅如此，其中一些I/O口还可以与MSP430中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。此外，MSP430 I/O端口的电器特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的LED、蜂鸣器可以直接驱动无需辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便与外围器件的接口。

       2 MSP430与I2C总线器件接口

       通过上述的介绍了解了MSP430中I/O口的一些控制特点。以下介绍如何利用这些特点实现I2C总线的接口。如图2所示，使用41系列单片机的P6.6产生I2C总线的时序同步信号；使用P6.7完成I2C总线的串行数据输入输出；利用P2.0接收LM92产生的中断信号。基于I2C总线规范，通过对LM92的A0、A1和AT240的A0、A1、A2设定不同的器件地址，两个器件可以共用SCL、SDA。

       2.1 I/O端口引脚控制

       与8031不同，MSP430没有位空间，也没有专门执行位操作的控制电路。那么对于一个指定的I/O端它是如何进行控制的呢？MSP430中有关位操作的指令都是通过逻辑运算实现的。[3]例如：

       BISB #01000010B,P1OUT ; 将P1.6和P1.1置位XORB #01000010B,P1OUT ; 逻辑或运算

       该例中的置位指令BISB是用原操作数（01000010）与目的操作数(P1OUT)做逻辑或运算得到的。因此该命令与第二行的指令是等效的。虽然，这样的控制方法比起8031略显复杂，但它的控制能力有所增强。从例子中不难看出，这种方式可以同时控制多个端口位。

       2.2 简化I2C接口的方法

       众所周知，实现I2C总线协议主要是控制SDA、SCL使其产生协议所规定的各种时序。要控制P6.7、P6.6产生I2C总线要求的各种时序，就要频繁使用到输入、输出以及方向寄存器。而要减少代码的量，简化接口控制，最直接的方法就是减少有关寄存器操作次数。要实现这一想法需要软硬件结合，充分利用I/O口的特点以及I2C总线协议的特点。

       仔细观察图3的基本数据操作时序[1]可以发现：第一，I2C总线在无数据传输时均处于高电平状态；第二，SDA引脚是数据的输入输出端，它的状态变化最为复杂，控制它需要频繁的使用P6IN、P6OUT、P6DIR三个寄存器。

       图2中的R1、R2是上拉电阻，其阻值由选用的I2C总线器件的电器特性确定。在本文中这两个电阻不但起上拉的作用，还有助于解决第一个问题。当P6.6、P6.7处于接收状态时，上拉电阻可以将该点的电平拉升为VCC，从而确保总线空闲时有稳定的高电平。

       延续以上的思路可以发现，方向寄存器相应位为输入时，就等于给I2C从器件发送了逻辑'1'。那么如何发送逻辑'0'呢？将对应的方向控制位设为输出，然后输出寄存器相应位置为'0'就可以实现。再进一步，如果将输出寄存器对应为设为'0'，只控制方向寄存器的变化就可以发送两种逻辑电平。这样，在发送数据时只需要控制方向寄存器。对于SDA需要频繁切换输入输出状态的特点，本方法可以减少15％左右的代码量，并使程序更清晰。这样就为第二个问题找到了很好的解决方法。 

       3 I2C总线控制时序的实现

       以上讲述了I2C总线最基本的操作时序。I2C总线中的各种操作都是由这些基本操作组合完成的。由于I2C总线器件的类型、功能、结构不尽相同，因此每一种器件具体控制时序有所区别。图4是AT2402读取指定字节数据控制时序。从图中可以看出一个读取操作中要使用到起始、发送字节、处理回应、接收字节、停止这些基本操作。附录中的代码就实现了这个时序。对于AT2402还有其他控制的时序，如字节写时序、数据页读时序、地址读取时序等等[1]。附录中代码对基本操作分别编写为子程序。对于不同的功能时序，可以通过子程序的调用来实现。

       LM92是一种高精度的温度传感器，它也采用I2C总线方式控制。图5是该器件读取温度数据的时序。因为它的功能和结构与AT2402有很大的区别，所以二者控制时序不尽相同。如图4和图5，虽然都是实现读取操作，但是二者时序差别很大，LM92的控制时序明显要复杂的多。不过仔细分析可以看出这些时序也都是由一些基本操作组合实现的。这样就可以在上述方法的基础上完善LM92所需要的基本操作子程序，进而根据时序需要安排子程序实现对LM92的各种控制。

       综上所述，要实现I2C总线的控制时序，需要仔细分析各种器件的时序要求及特点，构建所有的基本操作，并按时序要求合理安排基本操作。

       4结束语

       应用上述的设计方法和电路，实现了MSP430与I2C总线器件的接口，很好的控制AT2402和LM92，达到了预期的目标。实践证明该方法对实现I2C总线器件控制非常有效，而且使用该方法编制的程序代码量小，执行效率高。该方法为MSP430与I2C总线接口提供了一种可行的方案。