基于i2c总线端口扩展的编码式水位采集模块设计new

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1、http://www.paper.edu.cn基于I2C总线端口扩展的编码式水位采集模块设计黎洪生，崔常滨武汉理工大学自动化学院，武汉（430070）E-mail：ccb0852@163.com摘要：本文针对在现有工程嵌入式系统扩展端口的需要，结合项目中P89LPC921采集水文数据并进行传输的实际应用，介绍了利用I2C总线进行端口扩展的编码式水位采集模块的设计方案，包括整个硬件模块连接问题，LPC2131的软件设计，P89LPC921的软件设计，以及编程时应注意的一些问题。关键词：端口扩展，I2C总线，LPC2131，P89LPC921，水位采集模块1.引言水位雨量采集系统为防汛测报提供

2、及时的水雨情信息。该系统采用的编码式水位计使用12个输入输出端口。在系统中设计一种高效的基于I2C总线的编码式水位采集模块，并投入使用；同时该模块也是利用I2C总线进行端口扩展的成功实现。I/O口（输入输出端口）是单片机的重要资源，某些解决方案中常需要大量的I/O口。在从一种应用到另一种应用中，常由于现场的情况需要进行端口扩展。在常用的端口扩展方法中，采用8255A可编程端口进行从1个端口到2个端口的扩展，或换用本身I/O口更多的芯片，这将更换设计方案，提高设计成本；尤其在已成熟产品的升级的情况下，能最大限度的使用原成熟方案，可以大大节省产品再开发的人力物力，达到技术延续的效果。I2C总线

3、由于结构简单，占用资源少，作为成熟的二线协议，市面上已有大量的集成I2C总线协议的经济实用的器件，在通讯设备、POS机、读卡器、门禁系统等领域应用越来越广泛。现根据项目需求和I2C总线的特点，提出一种新的应用，该应用基于I2C总线作I/O扩展，解决项目中I/O需求量很大，同时需要降低设计成本的问题。2.I2C总线简介I2C(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及外围设备。I2C总线最主要的优点是简单和有效。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本

4、。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(Multi-mastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为总线主机。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。PHILIPSP89LPC9XX系列为典型应用。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。3.P89LPC921中的I2C总线接口P89LPC921器件提供字节方式的I2C接口。典型的I2C总线配置如图1所示[1]。-1-http://www.paper.edu.cn图1典型的I2C总线配置示意图

5、I2C总线用两条线（SDA和SCL）在总线和器件之间传递信息。总线的主要特性如下：主机和从机之间为双向数据传送多主机总线（无中央主机）多主机同时传送时进行仲裁避免总线上数据冲突串行时钟同步使得不同位速率的器件可以通过一条串行总线进行通信串行时钟同步可作为握手机制，用于挂起和恢复串行传输I2C总线可用于测试和诊断基于此功能强大而又硬件实现简单的总线协议，越来越多的相应产品被应用于工业控制和民用设备中。4.编码式水位采集模块的硬件实现I2C总线硬件电路结构简单，符合系统设计向小型化、低功耗方向发展的趋势。基于以上原理，将具有I2C接口的P89LPC921配置作从机，与ARM芯片LPC2131作

6、I2C通讯，完成端口扩展，进而实现编码式水位采集模块的硬件设计。4.1水位采集输入部分硬件设计水位采集输入是设计的第一部分。一方面要参考水位计的设计参数，以免损坏水位计，另一方面考虑输入电流不能过大或过小，及整个系统的功耗。本设计采用上拉电阻的方式，给输入口提供稳定的高电平，并在实际外接口（KB1-KB12）与芯片引脚接口（KBA1-KBA12）之间添加限流电阻，在不影响测量结果的前提下提高系统的安全性和可靠性。在芯片引脚接口部分可添加pF级电容接地，增强系统的抗干挠性。水位编码输入部分如图2所示，其中JP1采用的是D形15针接口，经实际测试连接稳定。-2-http://www.paper

7、.edu.cn图2水位采集输入部分硬件设计4.2I2C通讯部分硬件设计图3所示的接线图中，P89LPC921通过共用的上拉电阻与LPC2131相连，可以完成最高400Kb/s的传输速率。P89LPC921的各个I/O端口均可作为开关量输入检测口，也可作为控制口输出高电平或低电平，达到串行控制和端口扩展的目的。在编码式水位采集系统中，12位开关量编码接入单片机P89LPC921，根据工程需要，P89LPC921对水位值进行