用單片機實現(xiàn)基于I2C串行總線的音頻處理系統(tǒng)

目前，消費類電子產品（如彩電、音響等）的功能多樣化使得控制電路變得更為復雜。而Philips公司推出的集成電路芯片間總線I2CBUS（Inter ICBUS）是目前眾多總線中最簡潔有效、使用也為廣泛的一種總線格式。I2C總線通常是以硬件來實現(xiàn)的，這就要求所選器件必須具有I2C總線接口，但目前廣泛使用的MCS－51系列單片機并不具備I2C總線的專用硬件部分。本文結合筆者采用單片機8031實現(xiàn)對具有I2C總線接口的立體聲音頻處理芯片TDA7313的控制，介紹了I2C總線以及基于I2C串行總線的單片機應用系統(tǒng)的設計方法和程序。

1 I2C總線簡介

1.1  I2C總線的組成

I2C串行總線是用雙向數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）兩根信號線，在連接到該總線的器件之間傳送信息。它屬于多主控器總線，圖1所示是其組成框圖?？偩€上的每個器件均可設置一個唯一地址，然后根據(jù)所設的功能進行信息的發(fā)送或接收。除了作為發(fā)送器和接收器以外，在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時，總線的器件還可以設定為主控器和被控器。通常由主控器啟動總線上的數(shù)據(jù)傳輸，并產生數(shù)據(jù)傳輸所需的時鐘信號。而被其尋址的其它器件均為被控器，這意味著總線上可連接多個有控制總線的器件。

圖1  I2C總線的組成

I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸率為100 kbit／s，快速方式下可達400 kbit／s。連接到總線上的器件數(shù)僅受400 pF的總線電容的限制。同時，為了避免總線信號的混亂，要求連接到總線上的各器件輸出端必須是集電極開路或漏極開路，以便產生“線與”功能。I2C總線上的SDA和SCL線都是雙向傳輸線，它們可通過一個電阻連接到正電源端，當總線處于空閑狀態(tài)時，兩條線均為高電平。

1.2 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸格式

在I2C總線傳輸過程中，僅當總線空閑（SCL線和SDA線均為高電平）時，數(shù)據(jù)傳送才能開始，此時總線上的任何器件均可以控制總線。圖2所示是兩種特定的開始和停止條件，其中當SCL線為高電平且SDA線由高變低時為開始條件（S）；而當SCL線為高電平且SDA線由低變高時為結束條件（P）。在數(shù)據(jù)傳送過程中，當SCL線為高電平時，SDA線必須是穩(wěn)定的高或低電平才能使數(shù)據(jù)有效。只有當SCL線上的時鐘信號為低時，SDA線的狀態(tài)才能改變，且每位數(shù)據(jù)需一個時鐘脈沖。所有數(shù)據(jù)都是按字節(jié)發(fā)送的，每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)不限。每發(fā)送完一個字節(jié)，主控器釋放SDA線（呈高電平）并由受控器下拉SDA線，從而使SDA線為穩(wěn)定的低電平來作為有效應答位以表示傳輸成功，此時主控器必須產生一個與此位相應的額外時鐘脈沖。

圖2  I2C串行總線數(shù)據(jù)操作時序

圖3為I2C 總線數(shù)據(jù)傳輸格式。其中第一部分為數(shù)據(jù)傳輸起始信號，即由此開始進行數(shù)據(jù)傳送；第二部分為受控器地址，用來選擇向哪個受控器傳送數(shù)據(jù)；第三部分為讀／寫控制位，用于指示受控器的工作方式，0表示寫，1表示讀；第四部分是被主控器選中的受控器向主控器回傳的確認信號；第五部分是所傳送的數(shù)據(jù)，每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，都要求有一個應答位；第六部分是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y束信號。

圖3  數(shù)據(jù)傳輸格式 

每個具有I2C總線接口的受控器件都有唯一固定的地址，當主控器發(fā)送數(shù)據(jù)時，I2C總線上掛接的受控器件都會將主控器發(fā)出的、位于起始信號后的8位地址信息與自己的地址進行比較，如果兩者相同，則認為該受控器件被選中，然后按照讀／寫位規(guī)定的工作方式接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 I2C總線在單片機中的實現(xiàn)

本音頻處理系統(tǒng)中所使用的IC控制芯片為TDA7313，它是具有音量、高低音調的左右平衡及前后混頻調整的立體聲音頻數(shù)字處理器件，它的輸入通道可以選擇，并具有相應的外部響度調整函數(shù)以及I2C串行總線接口，因此可廣泛應用于汽車音響和高保真系統(tǒng)中。TDA7313與單片機8031的連線和基本的管腳定義如圖4所示。

圖4  單片機與TDA7313的接口電路 

由于單片機8031不具有I2C 總線硬件接口，因此只能通過編寫軟件產生串行時鐘信號。當系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時，先由單片機給出一個啟始信號；接著送出器件TDA7313的7位地址及讀／寫控制位并等待應答信號；當收到應答信號后，系統(tǒng)根據(jù)訪問要求進行相應操作。在實際操作過程中，一般都是通過CPU向TDA7313輸入一連串的特定數(shù)字命令來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的音頻處理，所以對TDA7313的操作主要是寫操作。