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模擬I2C總線多主通信的通用軟件包
摘要：本文給出軟件模擬I2C總線應用在多主機系統中的解決方案。分析多主競爭出現原因及其時段，結合時序圖和流程圖闡述競爭仲裁的原理及實現方案，并提供通用軟件包，用戶可將其應用在實際的系統中。關鍵詞：模擬I2C總線 多主機系統 通用軟件包
引言
I2C是由Philips公司推出的芯片間串行傳輸總線。它以規范嚴謹、使用簡單靈活、支持的外圍器件繁多等特點而被廣泛應用。對于不具備I2C接口的主器件（通常指MCU），可利用普通的I/O口來模擬I2C總線，但由于無法解決多主競爭問題而只能應用在單主機系統中。本文提供了一種解決方案，可將模擬I2C總線應用在多主機系統中，實現模擬I2C的多主通信。
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1 模擬I2C多主通信的設計原理
在I2C總線系統中，可以有多個主器件節點。當多個主器件節點都企圖控制總線時，就會出現多主競爭。這時就需要進行仲裁，裁決的結果只允許其中一個主器件節點成為主控器。而硬件I2C系統之所以支持多主系統，是因為其具有的三個特性：①接口的線“與”邏輯功能；②內部沖突檢測電路；③I2C中斷和狀態處理程序。這使其能夠自動完成多主競爭時的時鐘同步與總線仲裁，無須用戶介入。而在模擬I2C系統中，如果能通過軟硬件設計模擬出上述的三個特性，就等于解決了競爭仲裁與同步問題，那么模擬I2C總線就完全可以應用于多主機系統中。
首先，經過理論分析與實驗驗證，得知并聯在一起的MCU的普通I/O口線本身就具有線“與”特性。其次，為了避免主節點在總線繁忙時啟動總線而引起的沖突，需要增加一條握手線，即BUSY線來代表總線的忙/閑狀態。因為數據線（SDA）和時鐘線（SCL）上的信號是變化的，所以不能用它們充當BUSY線。另外，當多個MCU都檢測到總線空閑，同時企圖控制總線時，將形成多主競爭狀態，同樣會引起沖突。這時就需要引入時間片，用劃分的時間片來決定競爭時各MCU占用I2C總線的優先次序。結合SDA的線“與”特性，檢測SDA上是否已經存在啟動信號（即SDA是否為0），如果直到相應的時間片結束都沒有檢測到SDA上的啟動信號，自己就可以控制總線。最后，由于模擬系統中沒有硬件I2C中斷，MCU作為從器件時不知何時開始接收總線上的數據，所以，需要提供一根I2C中斷信號線，使MCU在中斷程序中處于從接收狀態，中斷線可以與BUSY線合用。
通過上述分析，利用三根信號線就能模擬出硬件I2C的競爭仲裁過程，實現模擬I2C的多主通信。
2 系統連接示意圖
三線模擬I2C總線系統的連接框圖如圖1所示。
模擬I2C多主系統中，要參與競爭的主器件節點采用三級連接方式，如MCU（A）、MCU（B）、MCU（C）；對于外圍器件節點如24C64等，因不具備主動控制I2C總線的能力，不會參與總線的競爭，所以仍可采用通用的兩線連接方式。三線模擬I2C總線中的時鐘線SCL和數據線SDA可由MCU的任意兩個I/O口線模擬；BUSY線因還要充當中斷信號線，則必須與MCU的外部中斷引腳INT0或INT1連接。
3 時序分析及流程設計
在檢測到BUSY=0（忙）時，不會出現競爭；但當檢測到BUSY=1（閑）到將BUSY設為0，需要的典型時間為3個機器周期。在這段時間內，別的MCU仍會檢測到BUSY=1，也認為總線空閑到企圖占用，這時就出現了競爭與沖突。競爭的時間范圍為2×3個機器周期。仲裁的方法是為每一個MCU分配一個仲裁時間片，在規定的時間片內MCU反復檢測總線中的數據線SDA是否有信號，直到時間片結束。如果沒有信號就可馬上占用I2C總線，發送起始信號；如果有信號則表示有別的高優先級的MCU要占用，該MCU退出競爭。仲裁時序圖如圖2所示。
將BUSY設為0后的一段時間規定為仲裁時間。仲裁時間長度為（N-1）×Δt。N為I2C總線上參與競爭的MCU個數；Δt為一個時間片的長度，典型值為4個機器周期。按優先級順序給MCU分配不同個數的時間片。仲裁時序如圖2所示：假設MCU（A）優先級最高，它不必進行時間片測試，在檢測到總線空閑時直接發送起始位；MCU（B）優先級為次高，在檢測到總線空閑后，它需要等待檢測一個時間片周期Δt，在Δt期間內SDA線上沒有變化，即等待確
認比它高優先級的MCU（A）不使用總線后，MCU（B）才能占用總線，發送起始信號；MCU（C）優先級最低，它需要測試等待周期2Δt，只有當MCU（A）、MCU（B）都不占用總線時（SDA一直保持為1），MCU（C）才能占用總線發送起始信號。
在實際應用中，還要注意BUSY線所用的中斷腳INT0/INT1需初始化為開中斷，并設定為下跳沿觸發。當各MCU需控制總線進行主發送或主接收時，需先關掉INT0/INT1需初始化為開中斷，并設定為下跳沿觸發。當各MCU要控制總線進行主發送或主接收時，需先關掉INT0/INT1中斷，再檢測BUSY線是否為空閑（=1）。若是空閑就將BUSY設為0，進行競爭仲裁，流程圖如圖3所示。如果在仲裁時間片內SDA始終為1，說明沒有高優先級的MCU要占據總線，自己可以發動起始信號控制總線，直到通信結束后，再釋放BUSY線將其置為1。此時其它的MCU就只能作為從器件。如果在仲裁時間片內檢測到SDA=0，則表明I2C總線已被占用，立刻將自己的BUSY設為1，并打開中斷轉為從接收，其流程圖如圖4所示。在中斷程序中接收尋址字節，以判明是否呼叫自己。若是，就進行相應的讀寫操作；若不是，就放棄退出中斷程序。注意：為了使總線上的MCU都能檢測到I2C上的起始信號，并使從器件能夠同步接收，SDA=0的時間要維持一定的寬度，至少應大于9個機器周期。
結語
經實驗證明：三線模擬I2C總線解決了多主競爭問題，可方便的應用于多主機系統中，提高了系統的靈活性，也進一步擴大了軟件模擬I2C的應用范圍，在實際應用中具有一定的使用價值。通用軟件包及測試程序請看網站（http://www.ycxgx.cn收集整理）網絡補充版。
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