1　前 言

I2C總線接口器件在視頻處理、移動通信等領域的應用已經非常普遍。另外，通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的RAM，ROM，A/D，D/A，LCD驅動器等，也越來越多地應用于計算機及自動控制系統中。隨著I2C接口器件越來越廣泛的應用，8051系列單片機與他之間的通信越來越頻繁。

8051系列單片機與I2C總線接口器件通信時，8051的通用口與I2C總線器件的SCL，SDA連接。根據I2C 總線數據傳輸協議，8051必須對其兩個通用口進行頻繁的置位、清零。根據基于51指令系統編制的匯編程序，傳送一位數據，需要9個機器周期，而對于 8051，一個機器周期要耗費6個時鐘周期，即用54個時鐘周期才能傳送一位數據。如此則極大地占用了CPU的工作時間，降低了系統的工作效率，導致I2C器件的優勢難以顯現。因此，有必要設計8051與I2C總線的專用接口電路。該接口電路能夠對I2C總線上的數據進行自動收發，而CPU只需要通過并口訪問該接口電路中的有關寄存器就可以實現與I2C器件的數據交換，從而使整個系統的性能得到提高。本設計用VHDL硬件描述語言為工具，用ALTERA公司的 MAXPLUSⅡ軟件進行編譯仿真，下載芯片為EPM7128SLC84-15。

2　設計目標和要求

為了提高數據傳送的速度，設計一個I2C接口電路。8051不直接與I2C器件交換數據，而是通過并口與該I2C接口電路交換數據，I2C總線上的數據傳送也通過該I2C接口電路來完成。從而通過CPU的外部存儲器讀寫指令就可實現與I2C器件的數據交換，使對串口的操作用并口的方式來實現。

在I2C接口電路內部有一個控制寄存器CI0和一個數據寄存器CI1，即I2C接口電路占用兩個地址。通過寫控制寄存器CI0的內容實現對I2C接口電路的編程，讀寫數據寄存器CI1的內容實現與I2C器件的數據交換。在CI0中的內容定義了8051對I2C器件進行操作的類型（讀或寫）和I2C器件內地址的字節數等信息，使I2C接口電路能夠識別從8051傳來的數據是地址還是數據、8051將要發送數據還是接收數據以及數據的長度等。

如果8051要發送數據給I2C器件，則根據I2C總線協議，在數據CI1接收到第一個數據后啟動I2C總線，然后將CI1中的數據進行并串轉換后逐位發出，發出完畢后設置一個標志位，使8051知道可以發送下一個總線后首先寫I2C器件內地址，然后進行數據接收，進行串并轉換后將接收到的數據裝入CI1中，再設置標志位，使8051知道可以讀出數據。

根據上述設計要求，I2C接口芯片的引腳如圖1所示。其中clk可以使用獨立的時鐘，使I2C總線的位傳送速度遠高于8051的位操作，從而可使I2C總線的數據傳送接近并口的數據速率;a0是地址信號輸入，a0=0時進行CI0寫操作，當a0=1時進行CI1讀/寫操作;bz為標志輸出位，bz=0時，8051需要等待，bz=1時8051可以對CI1操作。

I2C接口芯片在系統中的情況如圖2所示。這里8051對I2C接口芯片操作使用了查詢方式，也可以改用中斷方式。

3　并行接口設計的實現

3.1　接口設計的內部結構

該芯片的內部結構圖如圖3所示。系統由控制寄存器CI0，數據寄存器CI1，并串轉換，串并轉換，移位寄存器以及I2C控制模塊6部分構成。

3.2　方式控制字

8051向控制寄存器CI0寫控制字，實現對I2C接口的編程控制。CI0的控制字格式如下所示：

A2，A1，A0位：對與8051相連的I2C器件組的片選（器件地址）。對應不同值時選擇不同的器件通信。

R/W：用來控制8051對I2C器件的讀寫操作。1表示8051對I2C器件讀數據;0表示8051對I2C器件寫數據。

M1M0：當S=1時的4種工作方式：

①I2C總線未連接，要進行寫操作。

②I2C總線未連接，要進行讀操作。

③I2C總線已連接，換一個I2C器件或換新地址，要進行寫操作。

④I2C總線已連接，換一個I2C器件或換新地址，要進行讀操作。

S：工作控制位。當S=0時，關閉I2C總線，其他情況S=1。

DZS：指明8051對I2C器件讀寫的地址數。具體為：

0：8051對I2C器件內單字節地址讀寫。

1：8051對I2C器件內雙字節地址讀寫。

3.3　I2C模塊對I2C傳輸協議的實現

根據I2C數據傳輸協議，時鐘為高電平時，數據線由高電平向低電平跳變，啟動I2C數據傳輸。然后每到來一個時鐘脈沖，傳送一位串行數據，第8個脈沖到來后，已完成一個字節的傳輸，第9個脈沖時，發送應答信號。寫數據時，I2C器件收到數據，發送應答信號;讀數據時，8051收到數據，發送應答信號。數據傳送過程中，時鐘為高電平期間，數據線上的內容保持不變。數據傳送完畢，應答結束后，需要用停止信號停止數據傳輸，時鐘高電平時，數據線由低電平向高電　　55平跳變來實現此停止信號。

I2C模塊實現I2C數據傳輸協議。start信號為1時，啟動數據傳輸;write信號為1時，向I2C器件寫數據，read信號為1時，向I2C器件讀數據。

讀寫過程中，輸出標志位flag、計數器dcnt，控制en的兩位矢量，從而控制并串轉換寄存器和串并轉換寄存器的并入、移位、保持、清零操作。停止信號為1時，結束數據傳輸。

3.4　接口芯片的工作原理與控制過程

8051向控制寄存器CI0寫控制字，實現對I2C接口的編程控制;向數據寄存器CI1寫數據，實現對I2C接口的數據傳輸。

當bz=1時，8051才對數據寄存器讀寫，而每次讀寫后接口電路自動將bz置0，在接口電路完成有關操作等待8051的讀寫時將bz置1。

（1）I2C總線未連接，要進行寫操作。8051的操作：

①寫控制字W1;②當bz=1時寫器件內地址第1字節;③當bz=1時寫器件內地址第2字節…;④當bz=1時寫第1字節…。

I2C的操作：

當接收到該控制字W1后操作為：①置bz=1，啟動I2C總線;②根據控制字中的器件地址發出第1個字節（器件選擇、寫）;③發送器件內地址，置bz=1;④發送數據內容，置bz=1…。

（2）I2C總線未連接，要進行讀操作。8051的操作：

①電路寫控制字W2;②寫器件內地址第1字節; ③當bz=1時寫器件內地址第2字節…;④當bz=1時讀第1字節…。

I2C的操作：

當接收到該控制字W2后操作為：①置bz=1，啟動I2C總線;②根據控制字中的器件地址以出第1個字節（器件選擇、寫）;③發送器件內地址;④關閉I2C總線;⑤啟動I2C總線;⑥第2次發送器件選擇字節、讀;⑦接收數據內容，置bz=1…。

（3）I2C總線已連接，換一個I2C器件或換新地址，要進行寫操作。

8051的操作：

①寫控制字W5;②當bz=1時寫器件內地址第1字節;③當bz=1時寫器件內地址第2字節…;④當bz=1時寫第1字節…。

I2C的操作：

當接收到該控制字W5后操作為：①置bz=1，關閉I2C總線;②啟動I2C總線;③根據控制字中的器件地址發出第1個字節（器件選擇、寫）;④發送器件內地址，置bz=1。

（4）I2C總線已連接，換一個I2C器件或換新地址，要進行讀操作。

8051的操作：

①電路寫控制字W6;②寫器件內地址第1字節; ③當bz=1時寫器件內地址第2字節…;④當bz=1時讀第1字節…。

I2C的操作：

當接收到該控制字W6后操作為：①置bz=1，關閉I2C總線;②啟動I2C總線;③根據控制字中的器件地址發出第1個字節（器件選擇、寫）;④發送器件內地址;⑤關閉I2C總線;⑥啟動I2C總線;⑦第2次發送器件選擇字節、讀;⑧接收數據內容，置bz=1…。

4　結　語

擴展接口芯片設計采用VHDL語言實現，芯片設計的全部程序均通過ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件編譯，仿真結果正確。編譯、仿真后的VHDL 程序經下載線下載至EPM7128SLC84-15芯片，驗證正確。設計的接口時鐘要求6 MHz，可直接和單片機接口連接。

擴展后的接口，傳送一位數據只需要4個時鐘周期。擴展的接口，訪問I2C器件的時鐘可以自行設定，他們之間的通信不需要等待8051。一旦8051的并行數據送出，該接口可立即用自己設定的速度傳送。從而該接口在8051和I2C器件之間通信時，數據的傳送可達到并行的速度，這就是本接口擴展設計的最大優點。

由于使用的設計軟件是ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件，下載仿真芯片為EPM7128SLC84該芯片延遲時間為15 s，延時時間過長;接口的設計本身對數據傳輸的時鐘也可進一步減少，更進一步提高數據傳輸的速度。基于以上兩點，還需要對本設計進一步優化，以期進一步提高性能與速度。