I2C總線技術(shù)在艦船能量管理系統(tǒng)I/O端口擴(kuò)展中的應(yīng)用

許智豪，李維波，華逸飛，徐聰，范磊

武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070

0 引 言

艦船能量管理系統(tǒng)適用于發(fā)電自動(dòng)化、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警、輸配電監(jiān)控保護(hù)以及用電設(shè)備的監(jiān)控管理，是綜合電力艦船的核心控制部分之一。在能量管理系統(tǒng)中，底層控制器的數(shù)量很多，并且需要采集、發(fā)送大量的I/O指令信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)。如果將底層控制器的各個(gè)部件、外圍設(shè)備、I/O端口都分別采用獨(dú)立的線路與微處理器直接連接，那么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。所以，有必要采用總線技術(shù)并借助I/O端口擴(kuò)展處理芯片，從而最大限度地集成化處理數(shù)量龐大的數(shù)字量信號(hào)。

目前，I2C（Inter Integrated Circuit，I2C）總線主要應(yīng)用于各類傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片等數(shù)據(jù)處理芯片中。相較于其他總線接口，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)，故可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如云服務(wù)器中的智能家居控制系統(tǒng)［1］，以及在移動(dòng)智能終端領(lǐng)域中利用I2C總線集中處理智能終端的多種傳感器［2］。

I2C總線具備良好的可移植性，可以利用軟件模擬I2C時(shí)序，并擺脫了處理器中I2C控制器的引腳范圍限制。但同時(shí)，I2C也增加了軟件處理的過程，降低了處理器效率，存在可靠性不高的缺點(diǎn)，可能會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸過程中丟失或改變數(shù)據(jù)。為了提高I2C信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，本文將增加I2C驅(qū)動(dòng)芯片和專用隔離芯片，以保證其波形的穩(wěn)定性。將介紹通過I2C總線采集控制大容量數(shù)據(jù)的方法，即CPU僅依靠串行數(shù)據(jù)線（Serial Data，SDA）和串行時(shí)鐘線（Serial Clock，SCL）來實(shí)現(xiàn)與多個(gè)外圍器件之間的全雙工數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線系統(tǒng)為串行接口，傳輸速率快且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一條I2C總線上可以連接多個(gè)具有I2C接口的設(shè)備。通過硬件外圍電路即可確定各個(gè)器件的地址，再利用軟件尋址即可方便地?cái)U(kuò)展多型設(shè)備。本文將基于單片機(jī)的普通I/O端口和軟件編程來模擬I2C總線，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)精簡(jiǎn)指令集機(jī)器（Advanced RISC Machine，ARM）與 I2C接口器件之間的可靠通信［3-4］。

1 能量管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

為了保證艦船能量管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要采集多路數(shù)字量來獲取當(dāng)前電站的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)讀入的數(shù)字量和集控臺(tái)下達(dá)的指令來輸出相應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)，用以控制各底層設(shè)備。圖1所示為基于ARM控制器的能量管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，其主要由頂層集控臺(tái)、數(shù)字量信號(hào)處理模塊及底層各個(gè)電站的開關(guān)量信號(hào)組成。首先，由具備光耦隔離功能的數(shù)字量采集模塊獲取各個(gè)艦船電站的出口斷路器狀態(tài)信號(hào)、反饋量信號(hào)和配電板輸入指令信號(hào)等；然后，通過I2C總線將所有的數(shù)字量輸入電平信號(hào)傳輸至信號(hào)處理控制器，隨即進(jìn)行信號(hào)處理；最后，通過CAN總線和以太網(wǎng)與集控臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，當(dāng)集控臺(tái)發(fā)出指令操作數(shù)字量控制器時(shí)，信號(hào)處理控制器可以根據(jù)所采集的信號(hào)來控制參考電壓，從而選擇接觸器、電源出口斷路器分合閘、配電板指示燈等被控對(duì)象并完成相應(yīng)的邏輯互鎖等判斷工作，用以避免底層器件的誤操作情況。

圖1 基于ARM控制器的能量管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of the energy manage system based on ARM controller

2 數(shù)字量信號(hào)處理硬件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

信號(hào)處理的硬件部分主要由CPU最小系統(tǒng)、I2C專用隔離芯片、I2C驅(qū)動(dòng)芯片、基于I2C總線的I/O端口擴(kuò)展芯片及光耦隔離芯片組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，ARM輸出的信號(hào)通過I2C專用隔離芯片構(gòu)成第1級(jí)隔離，以保證ARM讀取數(shù)據(jù)的抗干擾能力；然后，通過I2C驅(qū)動(dòng)芯片使隔離后的I2C信號(hào)能夠?qū)Χ嗦稩/O端口擴(kuò)展芯片進(jìn)行操作；最后，經(jīng)由光耦隔離芯片構(gòu)成的第2級(jí)隔離，I/O端口擴(kuò)展芯片接收或控制外部數(shù)字量信號(hào)，用以防止外部干擾影響系統(tǒng)內(nèi)部的處理電路。

其中，I/O端口擴(kuò)展芯片可以配置為輸入模式或輸出模式。當(dāng)CPU將其配置為輸入模式時(shí)，芯片將讀取外擴(kuò)的8路輸入信號(hào)的電平狀態(tài)并將其轉(zhuǎn)換為I2C信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)的配合下，可將數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)芯片和隔離芯片傳輸至CPU；當(dāng)CPU將其配置為輸出模式時(shí)，芯片將讀取經(jīng)由隔離芯片和驅(qū)動(dòng)芯片放大的I2C數(shù)據(jù)，并在時(shí)鐘信號(hào)的配合下由擴(kuò)展芯片轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)光耦隔離芯片輸出數(shù)字量［5-6］。

圖2 數(shù)字量信號(hào)處理硬件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of the digital signal processing hardware

2.1 I/O端口擴(kuò)展芯片

本文將選用TI公司的PCA9554/54A系列芯片，該芯片可以提供8位通用并行輸入/輸出端口（General Purpose Input Output，GPIO）的擴(kuò)展功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由I2C總線控制器、移位寄存器、中斷控制器等模塊組成。通過I2C總線控制器與移位寄存器的配合，PCA9554/54A可將其讀取的I2C數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8路輸出信號(hào)，或在讀取8路輸入狀態(tài)后通過I2C總線將數(shù)據(jù)傳輸至控制器處理。其中，上電復(fù)位模塊可將所有寄存器設(shè)置為默認(rèn)值并將器件狀態(tài)初始化。

圖3 PCA9554芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of internal structure of PCA9554 chip

PCA9554/54A設(shè)置了 3個(gè)管腳（A0，A1，A2）來確定芯片的地址，最多可允許8個(gè)器件共用一條I2C總線。PCA9554與PCA9554A的唯一區(qū)別在于固定I2C的地址不同，理論上最多可以允許16個(gè)器件（9554和9554A各8個(gè)）連接到同一條I2C總線上。

2.2 I2C專用隔離芯片

本文將選用ADI公司的ADM3260產(chǎn)品作為I2C隔離芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。該芯片集成了數(shù)據(jù)信號(hào)隔離模塊和電源隔離模塊，可以有效減小外部的共模干擾信號(hào)。芯片可以在高達(dá)1 MHz的通信頻率下處理雙向I2C通道信號(hào)，從而滿足本文對(duì)數(shù)字信號(hào)控制的響應(yīng)速度要求。

圖4 隔離芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of internal structure of isolated chip

2.3 I2C驅(qū)動(dòng)芯片

本文將選用TI公司的PCA9517芯片作為I2C信號(hào)的驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖5可知，該驅(qū)動(dòng)芯片采用了開漏機(jī)制，故器件本身只能輸出低電平而無法主動(dòng)輸出高電平，除非通過外部上拉電阻將信號(hào)拉至高電平，因此必須在I2C總線上設(shè)置上拉電阻。由于PCA9517芯片引腳的最大灌電流為6 mA，故對(duì)于5 V的上拉電平而言，上拉電阻不宜低于1 kΩ，以免損壞芯片端口或?qū)е螺敵龅碗娖降姆翟黾印?/p>

圖5 I2C驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of internal structure of I2C drive chip

3 I2C總線擴(kuò)展I/O端口的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 I2C總線的原理

I2C總線由一條SDA和一條SCL組成，從設(shè)備將在SCL時(shí)鐘信號(hào)的控制下讀取主設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高時(shí)，讀取數(shù)據(jù)線的電平信號(hào)；時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，允許改變數(shù)據(jù)線的電平信號(hào)。根據(jù)選用的從設(shè)備通信協(xié)議，可以對(duì)從設(shè)備進(jìn)行尋址和數(shù)據(jù)傳輸。

啟動(dòng)I2C總線后，主機(jī)即可對(duì)從設(shè)備進(jìn)行尋址操作。I2C從設(shè)備的地址為1個(gè)字節(jié)，即需要8個(gè)時(shí)間周期來完成尋址操作，若某個(gè)從設(shè)備的地址對(duì)應(yīng)主機(jī)發(fā)送的地址，該從設(shè)備便在下一個(gè)時(shí)鐘周期反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，之后即可讀取從設(shè)備的數(shù)據(jù)信息或?qū)υ搹脑O(shè)備進(jìn)行寫操作。分析了I2C的讀取時(shí)序之后，即可利用普通I/O端口模擬I2C時(shí)序［7-9］。

當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由高到低的跳變定義為啟動(dòng)信號(hào)；當(dāng)SCL為低時(shí)，SDA由低到高的跳變定義為停止信號(hào)。

發(fā)送設(shè)備每發(fā)送1個(gè)字節(jié)，就在下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)開始讀取應(yīng)答信號(hào)狀態(tài)，由此來判斷接收設(shè)備是否正確收到了該字節(jié)。當(dāng)應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，表示接收設(shè)備已成功接收該字節(jié)，即為有效應(yīng)答信號(hào)（Acknowledgment，ACK）；當(dāng)應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，一般表示接收設(shè)備未成功接收該字節(jié)，即為非應(yīng)答信號(hào)（Negative Acknowledgment，NACK）。

由于需要在時(shí)鐘信號(hào)為高時(shí)讀取數(shù)據(jù)，所以當(dāng)從設(shè)備為發(fā)送設(shè)備、主設(shè)備為接收設(shè)備時(shí)，ACK波形應(yīng)在時(shí)鐘信號(hào)為高時(shí)保持為低。如果主設(shè)備為發(fā)送設(shè)備，則當(dāng)其收到1個(gè)字節(jié)后即發(fā)送1個(gè)NACK信號(hào)，用以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)，由此結(jié)束I2C總線的本輪操作。

在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖與之對(duì)應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位串行傳送每一位數(shù)據(jù)。

3.2 I/O端口擴(kuò)展的方法

圖6所示為I2C總線啟、停信號(hào)的軟件模擬方法。首先，根據(jù)I2C總線的啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)波形將時(shí)鐘信號(hào)保持為高電平，延時(shí)4 μs后，將數(shù)據(jù)信號(hào)電平由高設(shè)置為低；然后，發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，再將時(shí)鐘信號(hào)設(shè)置為低電平，準(zhǔn)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；最后，在發(fā)送停止時(shí)將時(shí)鐘信號(hào)保持為高電平，延時(shí)4 μs后，將數(shù)據(jù)信號(hào)電平由低設(shè)置為高。

圖6 I2C總線啟、停信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法Fig.6 Software implementation method of I2C bus start and stop signal

發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)后，將由控制器發(fā)送芯片的地址。芯片地址實(shí)際上由硬件電路決定，地址長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，其中前7位為地址，第8位為數(shù)據(jù)方向位，這個(gè)方向位也決定了下一個(gè)操作是接收還是發(fā)送。當(dāng)主機(jī)收到該數(shù)據(jù)的應(yīng)答后，將寫入1個(gè)字節(jié)的控制指令，0x00表示PCA9554之后的輸入端口寄存器，0x01表示輸出端口寄存器，0x03則表示輸入/輸出模式配置。若0x03設(shè)置為輸入模式，則依次讀取擴(kuò)展的8路輸入信號(hào)；若0x03設(shè)置為輸出模式，則發(fā)送1個(gè)字節(jié)以控制擴(kuò)展的8路輸出信號(hào)。I/O端口擴(kuò)展芯片PCA9554的寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖7所示，其中n為端口數(shù)據(jù)量。

圖7 I/O端口擴(kuò)展芯片PCA9554的寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖Fig.7 Timing diagram of writing data and reading data for I/O port extension chip PCA9554

4 工程應(yīng)用示例

本數(shù)字量處理模塊的主要應(yīng)用目標(biāo)為控制艦船能量管理系統(tǒng)的各個(gè)電站開關(guān)量，為了驗(yàn)證工程應(yīng)用效果，本文設(shè)計(jì)了一塊含有64路撥碼開關(guān)（數(shù)字量輸入）與64路LED發(fā)光二極管（數(shù)字量輸出）的工裝板。當(dāng)撥通某一路輸入開關(guān)時(shí)，相應(yīng)的LED燈便會(huì)發(fā)光，以驗(yàn)證數(shù)字量采集、處理、輸出整個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性。通過I2C總線向PCA9554寫入字節(jié)的波形如圖8所示。

在CPU發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后的8個(gè)周期內(nèi)，SDA將發(fā)出1個(gè)字節(jié)的地址信號(hào)0x4A，對(duì)應(yīng)于輸出板的第5塊芯片。收到應(yīng)答信號(hào)后，即可認(rèn)為CPU與該芯片通信正常。

在本輪操作之后的8個(gè)周期內(nèi)，SDA將發(fā)出1個(gè)字節(jié)的控制命令0x01，即將該芯片配置為輸出模式。收到應(yīng)答信號(hào)后，CPU將控制該芯片輸出設(shè)定的數(shù)據(jù)字節(jié)0xAA，而工裝板上的輸出狀態(tài)也為0xAA。

圖8 通過I2C總線向PCA9554寫入字節(jié)的波形圖Fig.8 The waveform of bytes is written to PCA9554 via the I2C bus

由圖8可知，模擬I2C總線時(shí)序可以有效控制I/O端口擴(kuò)展芯片，從而實(shí)現(xiàn)I/O端口的擴(kuò)展工作。

目前，本文提出的艦船能量管理系統(tǒng)的數(shù)字量處理模塊已完成電磁干擾試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)，并已進(jìn)行實(shí)船安裝且運(yùn)行狀態(tài)良好。

若從設(shè)備存在問題，則將會(huì)出現(xiàn)如圖9所示的情況［5］。即接受1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，從設(shè)備向CPU發(fā)出1幀非應(yīng)答信號(hào)，隨后CPU將直接發(fā)送停止信號(hào)，并不再對(duì)該芯片進(jìn)行操作。

圖9 非應(yīng)答信號(hào)的處理波形Fig.9 The processing waveform of negative acknowledgment

5 結(jié) 語

本文采用軟件編程模擬I2C總線的方法，利用2個(gè)GPIO端口實(shí)現(xiàn)了對(duì)I2C總線接口器件的訪問，擴(kuò)大了串行擴(kuò)展總線I2C器件的應(yīng)用范圍。通過采用PCA9554/54A芯片，可以最多擴(kuò)展128個(gè)I/O端口，有效節(jié)約了芯片的引腳資源，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并使得多個(gè)數(shù)字量的采集與控制工作不再受單片機(jī)自身I/O端口不足的限制。通過專用芯片ADM3260，可以將I2C信號(hào)進(jìn)行隔離，并適當(dāng)增加I2C信號(hào)的電平延時(shí)時(shí)間，從而大為提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)易于移植到其他單片機(jī)系統(tǒng)上，在工業(yè)控制領(lǐng)域具備一定的推廣與參考價(jià)值。

然而，采用軟件模擬I2C波形時(shí)，雖然精簡(jiǎn)了硬件資源，但也占用了較多的CPU資源，故其數(shù)據(jù)處理時(shí)間比直接引腳訪問增加了100倍以上。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要統(tǒng)籌考慮，應(yīng)在滿足時(shí)序需求的情況下盡量減少硬件資源的占用。