一種I2C接口擴展器的設(shè)計

邱永華

（廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前最熱門、最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用技術(shù)之一，從隨身攜帶的MP3、語言復(fù)讀機、手機和PDA到家庭中的智能電視、智能冰箱和機頂盒，再到工業(yè)生產(chǎn)、娛樂中的機器人，無不采用嵌入式技術(shù)。

串行擴展總線技術(shù)是嵌入式技術(shù)發(fā)展的一個顯著特點[1]。其中Philips公司推出的I2C總線最為著名。與并行擴展總線相比，串行擴展總線有突出的優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，程序編寫方便，易以實現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊比、標(biāo)準(zhǔn)化等。目前I2C總線技術(shù)已為許多著名公司所采用，并廣泛地應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。

1 I2C總線簡介

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由 Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點[2]。I2C總線的特征如下：

1）只要求兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條串行時鐘線（SCL）；

2）每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的、簡單的主機/從機關(guān)系軟件所設(shè)定的地址來識別，主機可以作為主機發(fā)送器或主機接收器來使用；

3）它是一個真正的多主機總線，如果兩個或更多的主機同時初始化，數(shù)據(jù)傳輸就可以通過沖突檢測和仲裁來防止數(shù)據(jù)被破壞；

4）串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kbit/s，快速模式下可達(dá)400 kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4 Mbit/s；

5）連接到相同總線的IC數(shù)量僅受到總線的最大電容400 pF的限制。

I2C總線實現(xiàn)了兩個芯片之間控制和數(shù)據(jù)信號的傳輸，它的應(yīng)用將芯片之間的連接線減小到了最少，大大提高了芯片之間連接的可靠性、穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的抗干擾能力。擁有I2C總線的新型芯片幾乎可以不加任何外設(shè)就輕易地實現(xiàn)和總線的連接。嵌入式系統(tǒng)中常見的I2C總線連接方式如圖1所示。

圖1 I2C總線系統(tǒng)連接圖

2 I2C擴展器的設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的兼容性及可擴展性，目前越來越多的嵌入式系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計，即不再將所有的芯片都集成在一個嵌入式模塊上，而是把核心控制系統(tǒng)與外圍接口芯片分離成多個模塊，根據(jù)系統(tǒng)的不同需求來進行組裝和連接。模塊化的設(shè)計可以減少新產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，大大提升系統(tǒng)的兼容性和擴展性，能讓系統(tǒng)更好地適應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用的各種需求[3]。

帶有I2C總線的嵌入式系統(tǒng)也常常把I2C總線擴展出去，控制模塊與I2C其它模塊間通過外部線纜進行連接，并可以通過連接不同的模塊來實現(xiàn)各種不同的功能。例如：對于一個溫度采集系統(tǒng)，由于采集模塊常處于高溫或者低溫環(huán)境，為了保證控制模塊能夠長期穩(wěn)定地工作，常通過如圖2所示的方式將控制模塊與采集模塊進行連接，同時也可以根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)的需求，方便地減少或者增加采集模塊來完成不同的功能。

圖2 溫度采集系統(tǒng)連接圖

采集模塊和控制模塊的分離可以很好地解決不同的應(yīng)用中采集模塊擴展的問題，但在擴展中同時也引出了新的問題：如接口數(shù)量，I2C器件地址沖突等。如果控制模塊上的接口數(shù)量過少，該模塊就不能應(yīng)用于大的系統(tǒng)；如果接口數(shù)量過多，則在應(yīng)用于小系統(tǒng)時控制模塊又顯得過于臃腫。同時I2C器件的訪問是根據(jù)地址來區(qū)分的，即，如果一個系統(tǒng)中存在多個相同的模塊，并且這些模塊的I2C器件的地址相同，就會造成系統(tǒng)I2C通信異常[4]。

為了解決上述問題，可以在控制模塊與采集模塊之間加一個I2C接口擴展器，這樣不僅可以縮小控制模塊，即可以將其I2C接口減少為一個，也可以解決I2C器件的地址沖突等問題，如圖3所示。

圖3 I2C接口擴展器連接圖

為了滿足各種系統(tǒng)的需求，可以根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模來選擇不同規(guī)格和接口數(shù)量的I2C接口擴展器[5]。I2C接口擴展器與系統(tǒng)控制模塊之間只有兩條I2C通信線進行連接，所以I2C模塊之間的切換必須通過I2C進行。I2C接口擴展器的簡單原理設(shè)計框圖如圖4所示：

圖4 I2C接口擴展器原理圖

如圖4所示，PCF8574是一種I2C數(shù)據(jù)串行轉(zhuǎn)并行的擴展器件，即可以將輸入的8位串行數(shù)據(jù)并行輸出。所以可以通過對PCF8574寫入不同數(shù)據(jù)控制PCF8574 8個并行IO的輸出狀態(tài)。SN74CBT3257是一種帶兩個雙輸入雙向的數(shù)字開關(guān)，通過外部的控制信號可以隨意地切換輸入與輸出配對關(guān)系。

將 PCF8574的并行輸出 IO連接到SN74CBT3257的開關(guān)控制信號上，即實現(xiàn)了通過I2C控制PCF8574來進行I2C端口的切換。如對PCF8574先后寫入 0×00和 0×80，就可以將PCF8574的最高位先拉低再置高，其它低7位狀態(tài)保持不變，即實現(xiàn)對SN74CBT3257的輸出口從A輸入口到B輸入口的切換。

由于1片PCF8574有8個IO口，即可以輸出8個控制信號，所以最多可以控制8片SN74CBT3257，而1片 SN74CBT3257可以連接 4個不同的I2C接口，所以一片PCF8574最多可以連接32個I2C接口，在I2C地址都相同的情況下，最少也可以連接8個I2C地址相同的模塊。PCF8574本身的地址是通過外部電阻上下拉而選擇的，其地址配置管腳有3個，根據(jù)組合關(guān)系，在一條I2C總線上最多可以連接9片PCF8574，所以這種擴展器最大規(guī)模時最多可以連接288個不同地址的I2C器件，即使模塊的地址一樣，最少也可以連接72個I2C模塊。因此，可以根據(jù)系統(tǒng)大小設(shè)計出不同規(guī)格相適應(yīng)的I2C接口擴展器[6]。

3 結(jié)束語

基于PCF8574控制和SN74CBT3257切換開關(guān)的I2C接口擴展器的結(jié)構(gòu)簡單，擴展性強，具有非常高的實用性。唯一的缺點是需要修改控制軟件，切換時需要對PCF8574進行單獨控制，對軟件架構(gòu)比較完整的系統(tǒng)影響較大。此時，如果對于系統(tǒng)要求擴展性和速度不高的場所則可以用1片單片機進行轉(zhuǎn)換，而如果不計較系統(tǒng)成本則可以選擇CPLD，CPLD具有更好的擴展性及控制優(yōu)勢，這也是將I2C擴展器應(yīng)用于高端系統(tǒng)的研究方向。

[1]牟浩.I2C總線控制器的設(shè)計 [J].科協(xié)論壇（下半月），2010，（10）： 25.

[2]龔向東，黃虹賓，劉春平.主從可配置I2C總線接口IP及其應(yīng)用 [J].電訊技術(shù)，2010，（1）：36.

[3]邱永華，賀文健.開放式運動控制器人機界面的研究與設(shè)計 [J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，（4）：28-30.

[4]陳穗光，葛建華.I2C總線接口協(xié)議設(shè)計及FPGA的實現(xiàn)[J].山西電子技術(shù)，2006，（6）：55-56.

[5]譚平，劉建新.基于I2C總線的PIC單片機端口擴展技術(shù) [J].微計算機信息，2006，（17）：21-23.

[6]邱永華.智能蹺蹺板小車控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2011，29（1）：10-12.