0 引言

    SMBus协议是Intel公司（联合其他公司）在PC-I2C基础上研发出来的系统管理总线协议。最初是为智能电池、充电电池和与其他系统通信的微控制器之间的通信链路而定义的^[1]，后来也被用来连接各种设备，包括电源相关设备、系统传感器、EEPROM通信设备等。其被广泛用于笔记本电脑上，检测各元件状态并更新硬件设置引脚。它为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用SMBus总线的系统，设备之间发送和接收消息都是通过SMBus总线，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备的管脚数。随后，Intel公司联合其他公司在此基础上创建了智能电池管理标准，SMBus成为在智能电池及低速率管理设备上被广泛采用的协议标准。

1 SMBus协议分析

    SMBus由两根总线，即串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）构成^[2]，主要用于主从系统。由于 SMBus是双向通信，因此在设计电路时两条线上都需要外接上拉电阻，数据可以在总线空闲时间进行传输。

1.1 SMBus启动和停止条件

    在总线处于空闲状态时，SMBus总线上的SCL和SDA都被上拉电阻拉至高电平。此时，当SDA由高电平变为低电平，总线启动SMBus协议传输。启动条件产生后，总线就被视为忙的状态； 当SCL为高电平时，SDA由低电平变为高电平，SMBus传输停止^[3]，停止条件发生一段时间后，总线再次被视为空闲状态。启动条件和停止条件总是由主设备产生，图1为模拟SMBus协议启动和停止的时序图，S表示启动条件，P表示停止条件。

1.2 数据的有效性

    SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线上的电平只有在SCL线为低电平时才可以改变^[3]。图2为SMBus协议数据有效性的图示。

1.3 SMBus数据传输

    图3是SMBus数据传输协议时序图，当SMBus启动信号产生后，数据以串行方式进行传输，每次传输以8 bit(1 B)为一组，每次可发送的字节数不受限制，但是每个字节后必须跟一个响应位。数据以高字节在前、低字节在后的顺序传输，第9位为应答位^[2]。

    总线上的所有器件都有一个唯一地址，并且都可以工作在接收或发送状态，构成了4种工作模式，即主发送、主接收、从发收、从接收^[3]。SMBus总线还具有仲裁功能，保证同一时刻只有一个器件在控制总线。

2 硬件实验环境

2.1 主机系统实现

    主机系统采用了以MSP430F149处理器为核心的开发板，MSP430是德州仪器公司推出的一款16位、具有超低功耗芯片及精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）^[4]，被广泛用于智能便携电子设备中。开发板上拥有较丰富的外设资源，同时集成了RS232模块，可以将测得的数据信息等通过串口实时发送到上位机中，查看验证结果。

2.2 智能电池

    目前大部分智能电池对外接口都遵循SMBus协议标准，本设计采用的智能电池是一块由4节锂电池组成的智能电池组，采用德州仪器的BQ3060电源管理芯片进行电池管理。BQ3060芯片可以对最多4节电池构成的电池组进行管理，将普通电池组变成智能电池，并通过SMBus总线接口与处理器通信。

    将MSP430处理器与智能电池以及其他外围器件同时挂载到接有上拉电阻的SMBus总线上，如图4所示。MSP430处理器为主机，总线上的其他设备充当从机。当启动传输协议时，MSP430可以通过SMBus总线获得4节锂电池的相关信息。

3 SMBus协议软件实现

3.1 SMBus启动

    在初始时刻，总线处于空闲状态，数据线和时钟线都被拉高，此时拉低数据线，SMBus启动。下面是模拟SMBus协议的启动代码：

    void SMBus_Start()

    {

        SDA=1; delay(); //数据位置1

        SCL=1; delay(); //时钟位置1

        SDA=0; delay(); //数据位置0，启动

        SCL=0; delay(); //时钟位置0

    }

3.2 SMBus停止

    在时钟线为高时，当数据线被拉高，SMBus停止。以下是模拟SMBus协议停止代码：

    void SMBus_Stop()

    {

        SDA=0;delay(); //数据位置

        SCL=1;delay(); //时钟位置1

        SDA=1;delay(); //数据位置1，停止

    }

3.3 SMBus检测应答

    在数据传输的第9个时钟，主机需要检测总线上SDA的电平是否被拉低，如果规定的时钟周期内未检测到低电平，视为无应答，说明传输失败；如果检测到低电平，说明从机成功接收到数据，可以继续下一步传输。代码如下：

    bit SMBus_CheckAck()

    {

        unsigned char i;

        SCL = 1;delay();

        while((SDA)&&(i<256)) //检测有无应答

            i++; //数据位置1

        SCL = 0;delay();

        if(255 != i) //超时检测

            return 0;

        else

            return 1;

    }

3.4 SMBus发送应答

    当主机接收完从机发来的8 bit数据后，需要在第9个时钟周期内做出应答，并且告诉从机是否继续通信。如果继续通信，则拉低SDA电平；如果希望终止通信，则拉高SDA上的电平。代码如下：

    void SMBus_SendAck(bit n)

    {

        unsigned char i;

        if(n) SDA = 1;

        else  SDA = 0;

        SCL = 1;delay();

        SCL = 0;

    }

3.5 SMBus读取字节

    从SMBus总线上读取字节按照从高位到低位的顺序逐位读取，编程时在时钟为高时读取到的值保存到变量中并返回。

    unsigned SMBus_ReadByte()

    {

        unsigned char i,k=0;

        for( i = 0;i < 8;i++ ) //读8 bit数据

        {

            SCL = 1;delay();

            k = (k << 1) | SDA; //按位读取

            SCL = 0;delay();

        }

           return k; //返回字节

    }

3.6 SMBus写入字节

    向SMBus总线上写入字节时从高位到低位依次写入，写入完一个字节后将数据总线拉高。

    void SMBus_WriteByte(unsigned char data)

    {

        unsigned char i;

        temp = data;

        for(i=0;i<8;i++)            //按位写入

        {

            SCL = 0;delay();

            if((data<<i)&&0x80)

                SDA = 1;

            else

                SDA = 0;delay();

            SCL = 1;delay();

        }

        SCL=0；delay()；

        SDA=1；delay()：//拉高数据线，为等待应答做准备

    }

3.7 SMBus通信协议帧

    使用SMBus协议对设备信息进行读取时有统一的标准要求，图5是SMBus设备间通信协议帧结构图。最先传输的是启动条件S，随后发送第一帧数据，由7位设备地址DevAdd、1位写标志W和1位应答Ack构成。第二帧由8位设备内的寄存器地址RegAdd和1位应答Ack构成，如要读取电池的温度，RegAdd则为温度寄存器。其中前两帧都是主设备向总线上写信息，告诉了总线要写入的设备地址，以及要获得设备中哪个寄存器的内容。接下来要再次发送启动信号S进行一次重启。第三帧数据由7位设备地址DevAdd、1位读标志位R、1位应答Ack构成；第四帧由8位数据Data1和1位应答Ack构成；第五帧也由8位数据Data2和1位应答Ack构成。其中第三帧数据告诉了总线要对哪个设备进行读取操作，第四帧和第五帧则由主机从总线上两次读取数据，得到Data1和Data2，这两个字节分别为读取值的高8位和低8位。最后是一位停止信号P。

    将协议中包含的数据帧按照图5格式进行打包，统一写成函数以方便应用。代码如下：

    unsigned int SMBus_ReadAdd(unsigned char addr)

    {

        unsigned char data;

        SMBus_Start();//启动协议

        SMBus_WriteByte(DEV_ADDW);//设备地址

        SMBus_CheckAck();//等待应答

        SMBus_WriteByte(addr);//Reg地址

        SMBus_CheckAck();//等待应答

        SMBus_Start();//再次启动

        SMBus_WriteByte(DEV_ADDR);//设备地址

        SMBus_CheckAck();//等待应答

        data = SMBus_ReadByte();//读取低字节

        SMBus_SendAck(0);//发送应答

        data+=SMBus_ReadByte()<<8;//读取高字节

        SMBus_SendAck(1);//发送应答

        SMBus_Stop();//停止读取

        return data;//返回数据

    }

3.8 主程序设计

    主程序中最先要通过SMBus总线向智能电池发送命令，对BQ3060芯片进行初始化配置，然后调用SMBus_ReadAdd函数即可获得电池相关信息，如电池电压和相对电量Reg地址分别为0x09、0x0d，其他寄存器请参考芯片手册。调用方法如下：

    void main()

    {

        Init_Config();//初始化

        Voltage =SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF;

        delay_ms();//读取后要延迟一段时间

        PowerState=SMBus_ReadAdd(0x0d)&0x7F;

        delay_ms();

        UartSend()；//从串口输出

    ｝

    读取字节时，SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF和SMBus_ReadAdd(0x0d)&0x7F因为电压返回值范围是0～20 000 mV，电量状态范围为0～100%，为防止数据出错，要对有效位进行选取，同时读取数据后一定要进行延时操作，否则读数结果会出现错误。

4 设计结果与分析

    IAR EW for MSP430是IAR公司为TI公司的MSP430系列处理器开发的一款集成开发环境，可对工程进行有效管理、编译、链接后生成目标文件，并结合MSP专门的USB烧录器进行程序下载。

    通过MSP430F149开发板自带的RS232模块与笔记本USB口相连，MSP430将监测到的电池信息通过Uart0口发送到串口助手，最开始测得的所有数值都存在错误，通过对程序进行分析，发现在使用SMBus进行读取数据时没有设置一定的延时等待，加上延时函数后结果正常，但依然错误率很高。在查阅了BQ3060数据手册后才发现电压的有效值是0～20 000 mV，电量的有效值是0～100%，每次需要对读到的值进行有效位的提取，如SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF和SMBus_ReadAdd(0x0d)&0x7F语句处理后，输出结果正确，如图6。

    用电压表测电池两端的电压为15.9 V，与系统的15 943 mV一致，室内空调显示温度为26 ℃，考虑到电池使用过程会发热，因此温度会比室温高一些。通过检测出来的数据可以看出，用SMBus协议可以很方便地对智能电池信息进行监测，同时不需要处理器亲自去检测电池的各种信息，节省了处理器的时钟，可以使处理器更多的时间用在算法、控制等处理上。

5 小结

    本文实现了一个使用SMBus协议对电池信息进行实时监测的系统，系统准确监测到电池电压、电量、温度等重要信息。在实际应用中，可以根据需要对电池的其他信息进行监测，相关寄存器地址可以参考TI公司数据手册。虽然使用以BQ3060为管理芯片的智能电池作为实验平台，但是系统适合于对所有使用SMBus协议的智能电池进行监测，TI公司BQ系列电源管理芯片基本都支持SMBus协议，只需对设备地址、寄存器地址做相应改变就可达到通用的目的。

参考文献

[1] 路铁生．系统管理总线（SMBus）与智能充电[J]．电源世界，2011(8)：36-39.

[2] 陈涛，万亚坤．基于智能电池系统的SMBus总线研究及IP设计[J]．中国集成电路．2008(11)：48-51.

[3] 吴珍毅．基于SMBus的智能锂动力电池总线系统的实现[J]．北京联合大学学报，2012，26（4）：15.

[4] 郝建国．MSP430微控制器基础和应用[M]．北京：电子工业出版社，2014.