基于I2C总线多步进电机实验平台的开发-AET-电子技术应用

基于I2C总线多步进电机实验平台的开发

2015年微型机与应用第12期

晏亮，潘贞汝，常华

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

摘要： 描述了基于I2C总线多步进电机平台的设计，介绍了I2C总线通信协议的特点，给出了I2C总线在1片主MSP430G2553和8片从MSP430G2553之间数据传输程序流程图和整个平台的硬件结构框架，完成了基于I2C总线的单主多从通信，最终实现了对多路步进电机的控制。

关键词： I2C总线 MSP430G2553 单主多从步进电机

Abstract：

Key words :

　　摘要：描述了基于I2C总线多步进电机平台的设计，介绍了I2C总线通信协议的特点，给出了I2C总线在1片主MSP430G2553和8片从MSP430G2553之间数据传输程序流程图和整个平台的硬件结构框架，完成了基于I2C总线的单主多从通信，最终实现了对多路步进电机的控制。

　　关键词： I2C总线；MSP430G2553；单主多从；步进电机

0 引言

　　I2C总线是两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少、控制方式简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点。本文介绍一种利用I2C总线协议，通过单主多从模式，利用1段音频信号控制8个单片机实现不同方向、速率的转动。

1 I2C总线技术

　　1.1 I2C总线接口

　　本文所用的芯片主要为TI公司的MSP430G2553芯片，其中的I2C模式是通过USCI_Bx模块来进行配置的，本文主要应用了USCI_B0模块[1]。在I2C模式中，USCI通过两线式I2C串行总线提供了MSP430与I2C兼容器件的连接。外部器件串行依附在I2C总线上，通过2-线I2C接口为USCI模块发送数据或从USCI接收数据。如图1所示，I2C总线由时钟线SCL和数据线SDA构成，在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的电平被拉低（即负跳变），为I2C的开始信号[2]。在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA被释放，是I2C的终止信号。

　　如图2所示，进行数据传送时，在SCL呈现高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。

　　关于传输速度，I2C总线在标准模式最高为100 kb/s，高速模式最高为400 kb/s。

　　1.2 I2C总线数据传输

　　I2C总线传输数据必须遵循规定的数据传输格式[2]，主机给每个数据传输位产生一个时钟脉冲，I2C模式对数据位进行操作。在主机设置好I2C为发送模式后，USCI模块会检测总线是否可用，产生START条件。本文中将音频信号依据频率分为8段，并且每段对应不同的从机地址，如此便可依据不同频率将音频信号发送给不同的从机。I2C模式支持7位和10位寻址模式[3]，本文运用了7位寻址模式。如图3所示，在7位寻址模式中，第一个字节是7位从机地址和R/W位。接收器在每个字节结束后发送ACK位。

　　所有挂到I2C总线的外围器件各自都有一个唯一确定的地址[2]。任何时刻总线上只有一个主控器件对总线实行控制权，分时实现点对点的数据传送。I2C总线上所有外围器件都有规范的器件地址，器件地址由7位组成，它和1位方向位（R／W）构成了I2C总线器件的寻址字节SLA，格式如图4所示。

　　其中高4位（A6、A5、A4、A3）是I2C总线外围接口器件固有地址编码，器件出厂时已固化好。A0~A2是对从机分配的不同地址，本文中MSP430G2553的高4位为0100[1]，一共可以挂接8个单片机。而最低位R/W为数据方向位，当R/W为0时，主机发送数据，当R/W为1时，主机接收数据。本文中主机只用于发送数据，故R/W位一直为0。本文中的8个从机地址分别为：40H、42H、44H、46H、48H、4AH、4CH和4EH。

　　故总线上的数据传输过程[4]是：（1）主控制器发送开始信号S；（2）主控制器发送芯片寻址字节；（3）从器件发出应答信号ACK；（4）主控制器发送数据寻址字节；（5）发送者发送数据，接受者接收数据；（6）主控制器发送停止信号P终止数据传输。其流程图如图5所示。

2 I2C的系统硬件结构

　　图6是本文所研究平台的整体框图，在此系统中8个从机对应8种不同音符频段，分别控制8个电机的转速。系统的主要功能是通过PC由MATLAB对给定音频进行编码[5]，产生单片机可用的曲谱编码，然后通过串口将所产生的编码发送给主MSP430G2553，主机在寻址时先判断编码范围，然后通过I2C总线寻址相应的从机，并向被寻址的MSP430G2553发送相应的音频编码。从机将所接收到的音频编码作为定时器的定时周期，利用定时器产生相应的脉冲信号，从而驱动电机转动。

　　为实现单主多从单片机MSP430G2553之间的通信，将主机I2C总线上的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）分别与从机的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）相连接，并且在VCC与SCL、SDA两个信号之间分别接上10 k?赘的上拉电阻，如图7所示。由此从机的P1.6就成了时钟接收端，P1.7为数据接收端。通过编程将主机发送的数据送入Buff，从机通过读Buff中的数据将其实时转换为频率改变的方波，并通过P1.5口将其发送给电机驱动器，从而实现控制步进电机的功能。

3 I2C单主多从通信

　　首先将USCI模块初始化，使主机/从机可以进行接收/发送操作，初始化过程如下[6]：将USCI中软件复位位UCSWRST置位来初始化所有的USCI寄存器，配置P1.6和P1.7分别为I2C的SCL端口和SDA端口，通过UCMST和UCMODEx选择I2C模式和主机或从机模式。然后通过置位UCSEEL_2来选择主机时钟为SMCLK （1 MHz），并将主时钟12分频为100 kHz作为主机中的SCL时钟[1]。上述模块初始化完成后，清除UCSWRST，释放USCI，使能发送中断。

　　对于主发送模块，初始化之后需要把从地址设置为7 bit，再将目标从地址写入寄存器UCB0I2CSA中。本系统将所给的音频信号按照频率分为8段，每段对应不同的从机地址，使主机通过判断与不同的从机地址相匹配。初始化完成后通过置位UCRT和UCTXSTT，使主机工作在发送模式并产生一个起始条件。当地址读入UCB0I2CSA中后，硬件会自动识别并找到与之相对应的从机，一旦地址匹配则UCSTTIFG置位，主机进入LPM0模式并且触发中断，将要发送的数据写入UCB0TXBUF中，当从机地址被应答时UCTXSTT位即刻清零。本文中将音频信号装入数组中，当所有数据发送完毕后产生一个STOP条件，并将UCB0TXIFG清零同时退出低功耗模式。图8为主机发送模式流程图。

　　对于从接收模块，由于要对主机中读取的数据进行处理，本文中选用定时器A将其数据转换为对应的脉冲波，从而达到控制电机的目的。因此需要先将定时器A初始化[7]，为了不影响主机中SMCLK，本文使定时器A工作在ACLK时钟下。随后将其USCI模块设置为I2C接收模式，并且无需设置USCI时钟。一旦从设备中UCB0RXBUF接收到的新数据被读走，从设备即发送一个应答信号给主设备，然后开始下一个数据的接收。定时器A将接收到的数据通过定时器中断产生频率改变的方波，并通过P1.5口输出，从而控制步进电机依据音频信号的不同频率来变速转动。图9为从机接收模式流程图。