一種I2C接口擴展器的設計

邱永華

（廣東女子職業技術學院，廣東 廣州 510450）

0 引言

嵌入式系統是當前最熱門、最有發展前途的IT應用技術之一，從隨身攜帶的MP3、語言復讀機、手機和PDA到家庭中的智能電視、智能冰箱和機頂盒，再到工業生產、娛樂中的機器人，無不采用嵌入式技術。

串行擴展總線技術是嵌入式技術發展的一個顯著特點[1]。其中Philips公司推出的I2C總線最為著名。與并行擴展總線相比，串行擴展總線有突出的優點：電路結構簡單，程序編寫方便，易以實現用戶系統軟硬件的模塊比、標準化等。目前I2C總線技術已為許多著名公司所采用，并廣泛地應用于各種嵌入式系統中。

1 I2C總線簡介

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由 Philips公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備，是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優點[2]。I2C總線的特征如下：

1）只要求兩條總線線路：一條串行數據線（SDA），一條串行時鐘線（SCL）；

2）每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的、簡單的主機/從機關系軟件所設定的地址來識別，主機可以作為主機發送器或主機接收器來使用；

3）它是一個真正的多主機總線，如果兩個或更多的主機同時初始化，數據傳輸就可以通過沖突檢測和仲裁來防止數據被破壞；

4）串行的8位雙向數據傳輸位速率在標準模式下可達100 kbit/s，快速模式下可達400 kbit/s，高速模式下可達3.4 Mbit/s；

5）連接到相同總線的IC數量僅受到總線的最大電容400 pF的限制。

I2C總線實現了兩個芯片之間控制和數據信號的傳輸，它的應用將芯片之間的連接線減小到了最少，大大提高了芯片之間連接的可靠性、穩定性以及系統的抗干擾能力。擁有I2C總線的新型芯片幾乎可以不加任何外設就輕易地實現和總線的連接。嵌入式系統中常見的I2C總線連接方式如圖1所示。

圖1 I2C總線系統連接圖

2 I2C擴展器的設計

為了提高系統的兼容性及可擴展性，目前越來越多的嵌入式系統都采用模塊化設計，即不再將所有的芯片都集成在一個嵌入式模塊上，而是把核心控制系統與外圍接口芯片分離成多個模塊，根據系統的不同需求來進行組裝和連接。模塊化的設計可以減少新產品的開發周期，節約開發成本，大大提升系統的兼容性和擴展性，能讓系統更好地適應現場應用的各種需求[3]。

帶有I2C總線的嵌入式系統也常常把I2C總線擴展出去，控制模塊與I2C其它模塊間通過外部線纜進行連接，并可以通過連接不同的模塊來實現各種不同的功能。例如：對于一個溫度采集系統，由于采集模塊常處于高溫或者低溫環境，為了保證控制模塊能夠長期穩定地工作，常通過如圖2所示的方式將控制模塊與采集模塊進行連接，同時也可以根據現場系統的需求，方便地減少或者增加采集模塊來完成不同的功能。

圖2 溫度采集系統連接圖

采集模塊和控制模塊的分離可以很好地解決不同的應用中采集模塊擴展的問題，但在擴展中同時也引出了新的問題：如接口數量，I2C器件地址沖突等。如果控制模塊上的接口數量過少，該模塊就不能應用于大的系統；如果接口數量過多，則在應用于小系統時控制模塊又顯得過于臃腫。同時I2C器件的訪問是根據地址來區分的，即，如果一個系統中存在多個相同的模塊，并且這些模塊的I2C器件的地址相同，就會造成系統I2C通信異常[4]。

為了解決上述問題，可以在控制模塊與采集模塊之間加一個I2C接口擴展器，這樣不僅可以縮小控制模塊，即可以將其I2C接口減少為一個，也可以解決I2C器件的地址沖突等問題，如圖3所示。

圖3 I2C接口擴展器連接圖

為了滿足各種系統的需求，可以根據系統的規模來選擇不同規格和接口數量的I2C接口擴展器[5]。I2C接口擴展器與系統控制模塊之間只有兩條I2C通信線進行連接，所以I2C模塊之間的切換必須通過I2C進行。I2C接口擴展器的簡單原理設計框圖如圖4所示：

圖4 I2C接口擴展器原理圖

如圖4所示，PCF8574是一種I2C數據串行轉并行的擴展器件，即可以將輸入的8位串行數據并行輸出。所以可以通過對PCF8574寫入不同數據控制PCF8574 8個并行IO的輸出狀態。SN74CBT3257是一種帶兩個雙輸入雙向的數字開關，通過外部的控制信號可以隨意地切換輸入與輸出配對關系。

將 PCF8574的并行輸出 IO連接到SN74CBT3257的開關控制信號上，即實現了通過I2C控制PCF8574來進行I2C端口的切換。如對PCF8574先后寫入 0×00和 0×80，就可以將PCF8574的最高位先拉低再置高，其它低7位狀態保持不變，即實現對SN74CBT3257的輸出口從A輸入口到B輸入口的切換。

由于1片PCF8574有8個IO口，即可以輸出8個控制信號，所以最多可以控制8片SN74CBT3257，而1片 SN74CBT3257可以連接 4個不同的I2C接口，所以一片PCF8574最多可以連接32個I2C接口，在I2C地址都相同的情況下，最少也可以連接8個I2C地址相同的模塊。PCF8574本身的地址是通過外部電阻上下拉而選擇的，其地址配置管腳有3個，根據組合關系，在一條I2C總線上最多可以連接9片PCF8574，所以這種擴展器最大規模時最多可以連接288個不同地址的I2C器件，即使模塊的地址一樣，最少也可以連接72個I2C模塊。因此，可以根據系統大小設計出不同規格相適應的I2C接口擴展器[6]。

3 結束語

基于PCF8574控制和SN74CBT3257切換開關的I2C接口擴展器的結構簡單，擴展性強，具有非常高的實用性。唯一的缺點是需要修改控制軟件，切換時需要對PCF8574進行單獨控制，對軟件架構比較完整的系統影響較大。此時，如果對于系統要求擴展性和速度不高的場所則可以用1片單片機進行轉換，而如果不計較系統成本則可以選擇CPLD，CPLD具有更好的擴展性及控制優勢，這也是將I2C擴展器應用于高端系統的研究方向。

[1]牟浩.I2C總線控制器的設計 [J].科協論壇（下半月），2010，（10）： 25.

[2]龔向東，黃虹賓，劉春平.主從可配置I2C總線接口IP及其應用 [J].電訊技術，2010，（1）：36.

[3]邱永華，賀文健.開放式運動控制器人機界面的研究與設計 [J].計算機系統應用，2011，（4）：28-30.

[4]陳穗光，葛建華.I2C總線接口協議設計及FPGA的實現[J].山西電子技術，2006，（6）：55-56.

[5]譚平，劉建新.基于I2C總線的PIC單片機端口擴展技術 [J].微計算機信息，2006，（17）：21-23.

[6]邱永華.智能蹺蹺板小車控制系統的設計 [J].電子產品可靠性與環境試驗，2011，29（1）：10-12.