作者：西安交通大学润滑理论及轴承研究所 陕西 西安 周华 徐华 朱均
资料由中国TI提供
摘要：分析了MSP430单片机I/O端口的结构特点，提出了适合MSP430特点的I2C总线接口方案。该方案优化了接口方法，降低了代码量。结合实际给出了与常用I2C器件AT24C02的接口方法实例，并进一步论述了MSP430与温度传感器LM92的接口方法。通过实验证明，该方案硬件结构简单，程序代码量小，是MSP430与I2C总线接口的实用方法。
0 引言:
MSP430单片机自从2000年问世以来，就以其功能完善、超低功耗、开发简便的特点得到了许多设计人员的青睐。MSP430与传统的51单片机在结构上有很大的区别。其中之一就是：在MSP430的外围接口电路中，没有提供像51那样控制外设读、写、地址锁存信号的硬件电路。与这种接口电路相适应，MSP430更倾向使用I2C总线以及ISP等基于串行接口的外围器件。另一方面，随着I2C技术的发展和成熟，其硬件结构简单、高速传输、器件丰富等特点使该类器件的应用越来越广泛。因此研究新型单片机MSP430与I2C总线接口技术有着重要的意义。本文针对这一问题进行研究，分析研究了MSP430与I2C总线接口的原理和方法，提出了高效的接口方法，介绍了优化的程序。
1 MSP430单片机I/O端口控制特点
与8031单片机相比，MSP430的I/O端口的功能要强大的多，其控制的方法也更为复杂。MSP430的I/O端口可以实现双向的输入、输出；完成一些特殊功能如：驱动LCD、A/D转换、捕获比较等；实现I/O各种中断。MSP430采用了传统的8位端口方式保证其兼容性，即每个I/O端口控制8个I/O引脚。为了实现对I/O端口每一个引脚的复杂控制，MSP430中的每个I/O口都对应一组8位的控制寄存器(如图1)。寄存器中的每一位对应一个I/O引脚，实现对该引脚的独立控制。寄存器的功能和数目是由该I/O口所能完成的功能以及类型确定的。[2]
图1为MSP430的一个I/O端口的控制结构示意图。对于最基本的只能完成输入、输出功能的I/O端口其控制寄存器只有3个。其中，输入寄存器保存输入状态；输出寄存器保存输出的状态，方向寄存器控制对应引脚的输入、输出状态。本文中用来实现I2C总线接口的P6.6、P6.7都属于这类的端口。此外，有些I/O端口不但可以用作基本的输入输出，而且可以用作其他用途，比如可以作为LCD的驱动控制引脚。这类端口的控制功能寄存器实现引脚功能状态的切换。再者，有一类端口不但可以完成上述两种端口的功能，而且可以实现中断功能。该类端口拥有图1中所有的寄存器，中断触发的方式以及中断的屏蔽性都可以通过相应的寄存器控制。本文中使用的P2.0就属于该类端口，利用它来接收LM92发出的中断。
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通过上述的控制结构，MSP430的I/O端口可以实现很丰富的功能。不仅如此，其中一些I/O口还可以与MSP430中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。此外，MSP430 I/O端口的电器特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的LED、蜂鸣器可以直接驱动无需辅助电路。许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便与外围器件的接口。
2 MSP430与I2C总线器件接口
通过上述的介绍了解了MSP430中I/O口的一些控制特点。以下介绍如何利用这些特点实现I2C总线的接口。如图2所示，使用41系列单片机的P6.6产生I2C总线的时序同步信号；使用P6.7完成I2C总线的串行数据输入输出；利用P2.0接收LM92产生的中断信号。基于I2C总线规范，通过对LM92的A0、A1和AT240的A0、A1、A2设定不同的器件地址，两个器件可以共用SCL、SDA。
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2.1 I/O端口引脚控制
与8031不同，MSP430没有位空间，也没有专门执行位操作的控制电路。那么对于一个指定的I/O端它是如何进行控制的呢？MSP430中有关位操作的指令都是通过逻辑运算实现的。[3]例如：
BISB #01000010B,P1OUT ; 将P1.6和P1.1置位
XORB #01000010B,P1OUT ; 逻辑或运算
该例中的置位指令BISB是用原操作数（01000010）与目的操作数(P1OUT)做逻辑或运算得到的。因此该命令与第二行的指令是等效的。虽然，这样的控制方法比起8031略显复杂，但它的控制能力有所增强。从例子中不难看出，这种方式可以同时控制多个端口位。
2.2 简化I2C接口的方法
众所周知，实现I2C总线协议主要是控制SDA、SCL使其产生协议所规定的各种时序。要控制P6.7、P6.6产生I2C总线要求的各种时序，就要频繁使用到输入、输出以及方向寄存器。而要减少代码的量，简化接口控制，最直接的方法就是减少有关寄存器操作次数。要实现这一想法需要软硬件结合，充分利用I/O口的特点以及I2C总线协议的特点。
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仔细观察图3的基本数据操作时序[1]可以发现：第一，I2C总线在无数据传输时均处于高电平状态；第二，SDA引脚是数据的输入输出端，它的状态变化最为复杂，控制它需要频繁的使用P6IN、P6OUT、P6DIR三个寄存器。
图2中的R1、R2是上拉电阻，其阻值由选用的I2C总线器件的电器特性确定。在本文中这两个电阻不但起上拉的作用，还有助于解决第一个问题。当P6.6、P6.7处于接收状态时，上拉电阻可以将该点的电平拉升为VCC，从而确保总线空闲时有稳定的高电平。
延续以上的思路可以发现，方向寄存器相应位为输入时，就等于给I2C从器件发送了逻辑'1'。那么如何发送逻辑'0'呢？将对应的方向控制位设为输出，然后输出寄存器相应位置为'0'就可以实现。再进一步，如果将输出寄存器对应为设为'0'，只控制方向寄存器的变化就可以发送两种逻辑电平。这样，在发送数据时只需要控制方向寄存器。对于SDA需要频繁切换输入输出状态的特点，本方法可以减少15％左右的代码量，并使程序更清晰。这样就为第二个问题找到了很好的解决方法。（详细的使用方法见附录）
3 I2C总线控制时序的实现
以上讲述了I2C总线最基本的操作时序。I2C总线中的各种操作都是由这些基本操作组合完成的。由于I2C总线器件的类型、功能、结构不尽相同，因此每一种器件具体控制时序有所区别。图4是AT2402读取指定字节数据控制时序。从图中可以看出一个读取操作中要使用到起始、发送字节、处理回应、接收字节、停止这些基本操作。附录中的代码就实现了这个时序。对于AT2402还有其他控制的时序，如字节写时序、数据页读时序、地址读取时序等等[1]。附录中代码对基本操作分别编写为子程序。对于不同的功能时序，可以通过子程序的调用来实现。
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LM92是一种高精度的温度传感器，它也采用I2C总线方式控制。图5是该器件读取温度数据的时序。因为它的功能和结构与AT2402有很大的区别，所以二者控制时序不尽相同。如图4和图5，虽然都是实现读取操作，但是二者时序差别很大，LM92的控制时序明显要复杂的多。不过仔细分析可以看出这些时序也都是由一些基本操作组合实现的。这样就可以在上述方法的基础上完善LM92所需要的基本操作子程序，进而根据时序需要安排子程序实现对LM92的各种控制。
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综上所述，要实现I2C总线的控制时序，需要仔细分析各种器件的时序要求及特点，构建所有的基本操作，并按时序要求合理安排基本操作。
4结束语 应用上述的设计方法和电路，实现了MSP430与I2C总线器件的接口，很好的控制AT2402和LM92，达到了预期的目标。实践证明该方法对实现I2C总线器件控制非常有效，而且使用该方法编制的程序代码量小，执行效率高。该方法为MSP430与I2C总线接口提供了一种可行的方案。
参考文献： [1] Brian Merritt. I2C Interfacing of the MSP430 to a 24xx Series EEPROM([R]). Texas, U.S.A. : Texas Instruments Incorporated, 2000.12.5-7
[2] 胡大可. MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用，北京航空航天出版社，2001。56－70
[3] 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机，北京航空航天出版社，2001。56－70
附录： AT2402读取指定字节时序（图4）的实现代码
说明：BBUFF 为收发字节缓冲器； ICOUNT 为接收发送使用的计数器
SDA EQU 080H ; 定义P6.7 为 SDA
SDA EQU 040H ; 定义P6.6 为 SCL
BIC.B #SCL+SDA,&P6OUT ; 将SCL和SDA输出状态初始化为0
;-------------------------------------------------------------------------------
Read_I2C ;读取AT2402中指定地址单元数据的程序（实现图4的时序）
;-------------------------------------------------------------------------------
MOV.B # 0A0H,BBUFF ; 将器件地址及控制代码放入收发缓冲器(设为写状态)
CALL #I2C_Start ; 调用子程序完成启动、BBUFF发送、回应信号处理
MOV.B #10H,BBUFF ; 将指定单元地址放入收发缓冲器(指定地址为10H)
CALL #I2C_TX ; 调用子程序完成BBUFF发送、回应信号处理
; 至此，AT2402准备好向MSP430提供指定单元数据
MOV.B # 0A1h,BBUFF ; 将器件地址控制代码放入收发缓冲器(设为读状态)
CALL #I2C_Start ; 调用子程序完成启动、BBUFF发送、回应信号处理
CALL #I2C_Read ; 调用子程序完成数据读取、回应信号处理
CALL #I2C_Stop ; 调用子程序完成停止I2C总线命令时序
RET ; 返回
;-------------------------------------------------------------------------------
I2C_Start ; 产生I2C总线启动时序子程序
BIC.B #SCL+SDA,&P6DIR ; SCL,SDA设为输入，由上拉电阻发送'1'
BIS.B #SDA,&P6DIR ; SDA设为输出, SDA = 0
BIS.B #SCL,&P6DIR ; SCL设为输出, SCL = 0
;-------------------------------------------------------------------------------
I2C_TX ; 发送一个字节子程序
MOV.B #08,ICOUNT ; 计数器初始化为8
I2C_Send RLA.B BBUFF ; 待发送的数据位移入进位位
JC Send1 ; 该位为1，跳转发送1
Send0 BIS.B #SDA,&P6DIR ; 该位为0，设SDA输出，SDA=0
JMP Send_Bit ; 完成发送时序
Send1 BIC.B #SDA,&P6DIR ; SDA设为输入，SDA = 1 (上拉产生)
Send_Bit BIC.B #SCL,&P6DIR ; SCL设为输入，SCL = 1 (上拉产生)
NOP ; 延时
BIS.B #SCL,&P6DIR ; SCL设为输出，SCL = 0
NOP ; 延时
DEC.B ICOUNT ; 计数器减一
JNZ I2C_Send ; 判断是否发送完毕，没有则继续发送下一位
BIC.B #SDA,&P6DIR ; 发送完毕，将SDA设为空闲状态，SDA = 1 (上拉产生)
;-------------------------------------------------------------------------------
I2C_Ackn ; 从属器件发送的回应信号处理子程序
BIC.B #SCL,&P6DIR ; 设为输入，SCL = 1 (上拉产生)
Ack_wait BIT.B #SDA,&P6IN ; 检测是否有反馈信号
JNZ Ack_wait ; 没有则继续检测
BIS.B #SCL,&P6DIR ; 接收到回应信号，SCL设为输出，SCL = 0
RET ; 返回
;-------------------------------------------------------------------------------
I2C_Read ; 读取一个字节子程序
MOV.B #08,ICOUNT ; 初始化计数器为8
I2C_RX BIC.B #SCL,&P6DIR ; 设为输入，SCL = 1 (上拉产生)
BIT.B #SDA,&P6IN ; 检测接收位状态，结果保存在进位位中
RLC.B BBUFF ; 将接收到的位保存在收发缓冲器中
BIS.B #SCL,&P6DIR ; 设为输出，SCL = 0
DEC.B ICOUNT ; 计数器减一
JNZ I2C_RX ; 判断所有位读取完毕，没有则继续
JMP I2C_Ackn ; 读取完毕，跳转去处理回应信号
;-------------------------------------------------------------------------------
I2C_Stop ; 产生I2C停止时序子程序
BIS.B #SDA,&P6DIR ; 设为输出，SDA = 0
BIC.B #SCL,&P6DIR ; 设为输入，SCL = 1 (上拉产生)
BIC.B #SDA,&P6DIR ; 设为输入，SDA = 1 (上拉产生)
I2C_End RET ; 返回
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