模拟I2C总线多主通信的通用软件包

引言

I2C是由Philips公司推出的芯片间串行传输总线。它以规范严谨、使用简单灵活、支持的外围器件繁多等特点而被广泛应用。对于不具备 I2C接口的主器件（通常指MCU），可利用普通的I/O口来模拟I2C总线，但由于无法解决多主竞争问题而只能应用在单主机系统中。本文提供了一种解决方案，可将模拟I2C总线应用在多主机系统中，实现模拟I2C的多主通信。

1 模拟I2C多主通信的设计原理

在I2C总线系统中，可以有多个主器件节点。当多个主器件节点都企图控制总线时，就会出现多主竞争。这时就需要进行仲裁，裁决的结果只允许其中一个主器件节点成为主控器。而硬件I2C系统之所以支持多主系统，是因为其具有的三个特性：①接口的线“与”逻辑功能；②内部冲突检测电路；③I2C中断和状态处理程序。这使其能够自动完成多主竞争时的时钟同步与总线仲裁，无须用户介入。而在模拟I2C系统中，如果能通过软硬件设计模拟出上述的三个特性，就等于解决了竞争仲裁与同步问题，那么模拟I2C总线就完全可以应用于多主机系统中。

首先，经过理论分析与实验验证，得知并联在一起的MCU的普通I/O口线本身就具有线“与”特性。其次，为了避免主节点在总线繁忙时启动总线而引起的冲突，需要增加一条握手线，即BUSY线来代表总线的忙/闲状态。因为数据线（SDA）和时钟线（SCL）上的信号是变化的，所以不能用它们充当 BUSY线。另外，当多个MCU都检测到总线空闲，同时企图控制总线时，将形成多主竞争状态，同样会引起冲突。这时就需要引入时间片，用划分的时间片来决定竞争时各MCU占用I2C总线的优先次序。结合SDA的线“与”特性，检测SDA上是否已经存在启动信号（即SDA是否为0），如果直到相应的时间片结束都没有检测到SDA上的启动信号，自己就可以控制总线。最后，由于模拟系统中没有硬件I2C中断，MCU作为从器件时不知何时开始接收总线上的数据，所以，需要提供一根I2C中断信号线，使MCU在中断程序中处于从接收状态，中断线可以与BUSY线合用。

通过上述分析，利用三根信号线就能模拟出硬件I2C的竞争仲裁过程，实现模拟I2C的多主通信。

2 系统连接示意图

三线模拟I2C总线系统的连接框图如图1所示。



模拟I2C多主系统中，要参与竞争的主器件节点采用三级连接方式，如MCU（A）、MCU（B）、MCU（C）；对于外围器件节点如24C64 等，因不具备主动控制I2C总线的能力，不会参与总线的竞争，所以仍可采用通用的两线连接方式。三线模拟I2C总线中的时钟线SCL和数据线SDA可由 MCU的任意两个I/O口线模拟；BUSY线因还要充当中断信号线，则必须与MCU的外部中断引脚INT0或INT1连接。

3 时序分析及流程设计

在检测到BUSY=0（忙）时，不会出现竞争；但当检测到BUSY=1（闲）到将BUSY设为0，需要的典型时间为3个机器周期。在这段时间内，别的MCU仍会检测到BUSY=1，也认为总线空闲到企图占用，这时就出现了竞争与冲突。竞争的时间范围为2×3个机器周期。仲裁的方法是为每一个 MCU分配一个仲裁时间片，在规定的时间片内MCU反复检测总线中的数据线SDA是否有信号，直到时间片结束。如果没有信号就可马上占用I2C总线，发送起始信号；如果有信号则表示有别的高优先级的MCU要占用，该MCU退出竞争。仲裁时序图如图2所示。



将BUSY设为0后的一段时间规定为仲裁时间。仲裁时间长度为（N-1）×Δt。N为I2C总线上参与竞争的MCU个数；Δt为一个时间片的长度，典型值为4个机器周期。按优先级顺序给MCU分配不同个数的时间片。仲裁时序如图2所示：假设MCU（A）优先级最高，它不必进行时间片测试，在检测到总线空闲时直接发送起始位；MCU（B）优先级为次高，在检测到总线空闲后，它需要等待检测一个时间片周期Δt，在Δt期间内SDA线上没有变化，即等待确认比它高优先级的MCU（A）不使用总线后，MCU（B）才能占用总线，发送起始信号；MCU（C）优先级最低，它需要测试等待周期2Δt，只有当MCU（A）、 MCU（B）都不占用总线时（SDA一直保持为1），MCU（C）才能占用总线发送起始信号。

在实际应用中，还要注意BUSY线所用的中断脚INT0/INT1需初始化为开中断，并设定为下跳沿触发。当各MCU需控制总线进行主发送或主接收时，需先关掉INT0/INT1需初始化为开中断，并设定为下跳沿触发。当各MCU要控制总线进行主发送或主接收时，需先关掉INT0/INT1中断，再检测BUSY线是否为空闲（=1）。若是空闲就将BUSY设为0，进行竞争仲裁，流程图如图3所示。



如果在仲裁时间片内SDA始终为1，说明没有高优先级的MCU要占据总线，自己可以发动起始信号控制总线，直到通信结束后，再释放BUSY线将其置为1。此时其它的MCU就只能作为从器件。如果在仲裁时间片内检测到SDA=0，则表明I2C总线已被占用，立刻将自己的BUSY设为1，并打开中断转为从接收，其流程图如图4所示。在中断程序中接收寻址字节，以判明是否呼叫自己。若是，就进行相应的读写操作；若不是，就放弃退出中断程序。注意：为了使总线上的MCU都能检测到I2C上的起始信号，并使从器件能够同步接收，SDA=0的时间要维持一定的宽度，至少应大于9个机器周期。