本應(yīng)用筆記討論了通過I2C兼容接口讀取多字節(jié)數(shù)據(jù)時需要特別注意的地方。介紹了每次讀取一個字節(jié)時容易出現(xiàn)的問題，并給出了幾個具體示例。本文也描述了進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_方法。
概述
I²C兼容2線接口是功能強大的總線機制，用于連接微控制器或微處理器與低速外設(shè)，例如：集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的外設(shè)?；谠摽偩€的最基本的通信方式(即，寫入/讀取從機寄存器的一個字節(jié))非常直觀。但是，如果因為這種方法簡單而掉以輕心，則會導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)錯誤。
單字節(jié)通道傳送2字節(jié)數(shù)據(jù)
任何連接外設(shè)(尤其是傳感器)的數(shù)字接口，都需要確保從器件的內(nèi)部寄存器正確讀取數(shù)據(jù)，尤其是在讀取寄存器的過程中數(shù)據(jù)發(fā)生變化的情況下。數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果ADC執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作并更新寄存器的內(nèi)容，數(shù)據(jù)則會發(fā)生改變。許多器件帶有內(nèi)部緩存器(通常不能從外部訪問)，用來存放最新轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)I²C總線處于空閑狀態(tài)時，更新所謂的“用戶可訪問”寄存器內(nèi)容。
I²C協(xié)議每次只傳送1個字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，如果有效數(shù)據(jù)字長超過8位，并且沒有合理處置傳輸操作，則會引發(fā)問題。比如，MAX44000環(huán)境光傳感器(ALS)的數(shù)據(jù)寄存器具有多達14位的數(shù)據(jù)(另有1位作為溢出標(biāo)志，表示需要增加計數(shù)/亮度設(shè)置)。
表1. MAX44000 ALS數(shù)據(jù)寄存器
| REGISTER | B7 | B6 | B5 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 | REGISTER ADDRESS |
| ADC High Byte (ALS) | OFL | 0x04 | |||||||
| ADC Low Byte (ALS) | 0x05 | ||||||||
我們不能通過I²C直接讀取所有數(shù)據(jù)ALSDATA[13:0]，需要首先讀取寄存器0x04的內(nèi)容，然后讀取寄存器0x05的內(nèi)容，再把這些數(shù)據(jù)合并到一個至少16位的寄存器內(nèi)。因此，在讀取這些數(shù)據(jù)時需要特別謹(jǐn)慎。通過兩次簡單的單字節(jié)讀操作(利用STOP (P)條件終止)完成數(shù)據(jù)讀取，如圖1所示。
圖1. 單字節(jié)讀操作
這種方法存在致命缺陷，確切地說，向器件發(fā)送STOP條件，返回“用戶可見”的寄存器內(nèi)容。由此，從寄存器0x04讀取數(shù)據(jù)后，實際的14位數(shù)據(jù)可能在讀取0x05寄存器之前已經(jīng)更新。幾種情形下，這種缺陷可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯誤。
例如，當(dāng)MAX44000環(huán)境光傳感器處于10位、12位或14位模式時，亮度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，假設(shè)亮度在小范圍波動，或許亮度正在緩慢上升，或周圍存在少量噪聲，使得0x04和0x05寄存器的14位數(shù)據(jù)計數(shù)值為255或256，考慮表2中的三種情形。
表2. 誤差圖示說明
| State of Registers During First Byte Read (Read 0x04 Only) |
State of Registers During Second Byte Read (Read 0x05 Only) |
Result (14 Bit) |
在后兩種情形下，我們可能讀到0或511，而不是讀255或256，這是一個很嚴(yán)重的錯誤。發(fā)生這已錯誤的原因在于，第一次和第二次讀操作之間，發(fā)出STOP狀態(tài)后，寄存器0x04和0x05中的數(shù)據(jù)被更新。第一種出現(xiàn)問題情形下，第一個字節(jié)可以正確讀出，但在讀第二個字節(jié)時，總數(shù)為256的數(shù)據(jù)對應(yīng)的最低位為零，因而，我們從器件中得到讀數(shù)0；第二種出現(xiàn)問題的情形下，數(shù)據(jù)總計數(shù)值為256，由于在STOP狀態(tài)發(fā)出后，第二個字節(jié)的數(shù)據(jù)在讀取之前減少了1，所以顯示為511，圖2給出了多次讀取數(shù)據(jù)時，這種故障的抽樣情況。
圖2. 多次采樣時，實際讀取單字節(jié)的數(shù)值
這個問題很容易通過一次讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)來避免，如圖3所示。具體操作是，讀取第一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，發(fā)送REPEATED START (而不是STOP)進行操作，操作非常簡單。通過讀取2個字節(jié)，盡管在兩個器件之間發(fā)送完全相同的位數(shù)，卻可避免器件不恰當(dāng)?shù)馗翴²C寄存器的內(nèi)容。
圖3. 2字節(jié)讀操作示意圖
上述示例適用于MAX44000和MAX44009，進行多次讀操作時不會自動遞增寄存器指針。器件功能各有差異，但工作原理相同。也可以將其很容易地擴展到N字節(jié)讀取操作。應(yīng)用筆記AN3588：“MAXQ2000微控制器軟件I²C驅(qū)動”一文給出了幾個C程序示例。
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