基于I2C总线的数据采集系统自动化专业毕业设计毕业论文Word格式文档下载.docx
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任杰
指导教师
周生祥
职称
副教授
系别
自动化学院
专业
自动化
题目
任务与要求
了解I2C总线的协议及规范,编写其控制模块。
并对编写的模块进行仿真,仿真无误后,进行硬件的焊接,完成I2C总线的数据采集。
开始日期
2010年3月14日
完成日期
2010年6月19日
系主任(签字)
年
月
日
毕业设计(论文)工作计划
学生姓名__任杰___指导教师___周生祥___职称____副教授___
系别_____自动化学院___________专业_______自动化_
题目_基于I2C总线的数据采集系统
________________________________________________
工作进程:
2011.3.14~2011.3.20了解编写此课题的背景知识,具体细节,明确所涉及的内容,确立毕业设计的题目;
2011.3.30~2011.4.13学习有关I2C协议的相关知识,包括I2C的,I2C协议及规范,和硬件模块的设计;
2011.4.14~2011.4.20规划设计方案,学习相关EDA工具的使用方法包括Proteus等;
2011.4.21~2011.5.18编写硬件代码、仿真,综合;
2011.5.19~2011.6.1形成毕业设计论文,请指导老师评改,改进并加以整合,完成设计;
2011.6.4~2011.6.19书写毕业设计论文、整理,准备PPT,答辩。
硬件描述语言相关书籍
相关EDA软件的参考资料
keil开发板一套
计算机一台,相关EDA软件。
论文(设计)过程中教师的指导安排
1、提交开题报告,叙述对毕业论文任务书的理解和完成计划;
2、上报毕业论文和完成步骤和情况;
3、完成余下的工作计划,预计困难,对应的措施;
4、按要求上交设计成果与论文,进行相应的答辩
毕业设计(论文)开题报告
自动化院(系)自动化专业07级02班
课题名称:
基I2C总线的数据采集系统
任杰学号:
06071043
指导教师:
周生祥
报告日期:
2011-3-30
1.本课题所涉及的问题及应用现状综述
1.1课题所涉及的问题
I2C总线是一种具有自动寻址,高低速设备同步和仲裁等功能的高性能串行总线。
能够实现完善的全双工数据传输,是各种总线中的使用信号线数量最少的。
I2C总线只有两根信号线:
数据线SDA和时钟线SCL。
所有进入I2C总线系统中的设备都带有I2C总线借口,符合I2C总线电气规范的特性,只需将I2C总线上所有的节点的串行数据线SDA和时钟线SCL分别与总线的SDA和SCL先连即可。
各节点供电可以不同,但需共地,另外SDA和SCL需要分别接上拉电阻。
当执行数据传送时,启动数据发送并产生时钟信号的器件称为主器件;
被寻址的任何器件都可看作从器件;
发送数据到总线上的器件称为发送器;
从总线上接收数据的器件称为接收器。
I2C总线是多主机总线,可以有两个或更多的能够控制总线的器件与总线连接;
同时I2C总线还具有仲裁功能,当一个以上的主器件同时试图控制总线时,只允许一个有效,从而保证数据不被破坏.I2C总线的寻址采用纯软件的寻址方法,无需片选线的连接,这样就简少了总线数量。
主机在发送完启动信号后,立即发送寻址字节来寻址被控器件,并规定数据传送方向。
寻址字节由7位从机地址(D7~D1)和1位方向位(D0,0/1,读/写)组成。
当主机发送寻址字节时,总线上所有器件都将该寻址字节中的高7位地址与自己器件的地址比较,若两者相同,则该器件认为被主机寻址,并根据读/写位确定是从发
送器还是从接收器。
I2C总线句有多重主控能力,这就意味着可以允许多个作为主控器的电路模块(具有I2C总线接口的弹片机)去抢总线。
因此挂接在I2C总线上的集成电路模块的发送器/接收器可以根据不同的工作状态反为住控发送器,主控接受器,被控发送被控接收器。
显然,具有I2C总线接口的单片机可以工作在上述4种工作状态中的任一状态,而带有I2C总线接口的存储器
I2C只有两根双向的信号线,一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。
所有连接到I2C总线上器件的数据线都是接到SDA线上,各器件的时钟线均接到SCL线上。
每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机关系软件设定地址,主机可以作为主机发送器或主机接收器。
I2C是一个真正的多主机总线,如果两个或更多主机同时初始化,数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。
串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100bit/s,快速模式下可达400bit/s,高速模式下可达3.4Mbit/s。
连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制。
I2C总线位传输数据的有效性是指:
SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定,数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。
起始和终止条件是:
SCL线是高电平时,SDA线从高电平向低电平切换,这个是起始条件,SCL线是高电平时,SDA线由低电平向高电平切换,这个是停止条件,起始和停止条件一般有主机产生,总线在起始条件后被认为处于忙的状态,在停止条件的某段时间后总线被认为再次处于空闲状态。
1.2现状综述
I2C总线产生于在80年代,最初为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信。
例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。
可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理。
近年来芯片间的串行数据传输技术被大量采用,由于数据的串行传输连接线少,采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高,同时系统的更改和扩充极为容易。
随着微电子技术的发展,许多厂商不断推出I2C总线接口器件,如E2OROM、A/D转换器、LED及LCD驱动器、日历时钟电路等。
对于80C51系列单片机,有一些品种在片上配置了I2C总线接口,但多数品种没有配置I2C总线接口。
这时就可以利用通用并行I/O口线模拟I2C总线接口时序,使这些单片机不受带有I2C总线接口的限制。
因此在许多单片机应用系统中可以将I2C总线的模拟传送技术作为常规的设计方法。
单片机应用系统使用I2C总线扩展时,多为单主结构的形式,在这种系统中,I2C
单主机方式,总线数据的传送控制比较简单,没有总线的竞争与同步,只存在单片机对I2C总线上各从器件的读(单片机接收)、写(单片机发送)操作。
2.本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析
本设计采用KEIL开发和编程工具对I2C总线接口进行设计,KEIL设计流程是指利用KEIL开发和编程工具,采用可编程逻辑器件实现待设计的过程,完成KEIL设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现后仿真与验证、板级仿真与调试等主要步骤。
主要研究内容:
多主通信就是在总线上有多个节点。
这些节点既可以作为主节点访问其他的节点,也可以作为从节点被其他节点访问。
当有多个节点同时企图占用总线时,就需要总线的仲裁。
对于模拟I2C总线系统,怎样实现总线的仲裁是现在研究模拟I2C总线系统的难点。
在系统中增加1根BUSY线,在占用总线之前先检测BUSY线,看总线是否被占用。
若总线空闲,则设置BUSY线并向总线上传送数据;
否则,接收数据,直到总线空闲时才占有总线。
这种实现多主通信的方法有两个缺点:
①因为I2C最大的优点就是接口少、效率高,这样做不仅增加了使用资源而且减少了I2C总线的优势;
②当主节点数比较多时,等待时间比较长,效率不高。
解决思路:
本设计根据总线的仲裁原理,提出一种基于延时比较的仲裁方法。
当主节点想要占用总线时,先检测总线上是否空闲,如果总线是空闲的就发送数据。
在发送数据的同时,将总线上的数据接收并与发送的数据进行比较。
如果不同,说明总线上同时还存在其他节点,于是就退出;
否则,一直到发送完数据。
这种方法既体现了I2C总线的高效性,同时还具有良好的扩展性。
3.完成本课题的工作方案
2011.3.30~2011.4.13学习有关KEIL设计的相关知识,包括硬件描述语言的学习,I2C总线的协议及规范,和硬件模块的设计;
2011.4.14~2011.4.20规划设计方案,学习相关KEIL工具的使用方法包括Proteus等;
2011.4.21~2011.5.18编写I2C协议控制器模块硬件代码、仿真,综合;
2011.5.19~2011.6.01形成毕业设计论文,请指导老师评改,改进并加以整合,完成设计;
2011.6.04~2011.6.19书写毕业设计论文、整理,准备PPT,答辩。
4.指导教师审阅意见
指导教师(签字):
年月日
说明:
本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计)正式开始的第1周周五之前独立撰写完成,并交指导教师审阅。
西安邮电学院毕业设计(论文)成绩评定表
任杰
性别
男
学号
专业班级
自动0702班
课题名称
课题
类型
科研题目
难度
较难
毕业设计(论文)时间
2011年3月14日~6月19日
周生祥(职称:
副教授)
课题任务
完成情况
论文(千字);
设计、计算说明书(千字);
图纸(张);
其它(含附件):
指导教师意见
分项得分:
开题调研论证分;
课题质量(论文内容)分;
创新分;
论文撰写(规范)分;
学习态度分;
外文翻译分
指导教师审阅成绩:
指导教师(签字):
年月 日
评
阅
教
师
意见
选题分;
开题调研论证分;
创新分;
论文撰写(规范)分;
外文翻译分
评阅成绩:
评阅教师(签字):
年 月 日
验收小组意见
准备情况分;
毕业设计(论文)质量分;
(操作)回答问题分
验收成绩:
验收教师(组长)(签字):
年 月 日
答
辩
小组
意
见
陈述情况分;
回答问题分;
仪表分
答辩成绩:
答辩小组组长(签字):
年月日
成绩计算方法
(填写本院系实用比例)
指导教师成绩20(%)评阅成绩30(%)验收成绩30(%)答辩成绩20(%)
学生实得成绩(百分制)
指导教师成绩评阅成绩验收成绩
答辩成绩总评
答辩委员会意见
毕业论文(设计)总评成绩(等级):
院(系)答辩委员会主任(签字):
院(系)签章)
年月日
备
注
西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)
2
摘要
I2C总线是具有自动寻址,高低速设备同步和仲裁等功能的一种高性能串行总线。
它能够实现完善的全双工数据传输,在各种总线中的使用信号线数量最少的。
所有进入I2C总线系统中的设备都带有I2C总线接口,符合I2C总线电气规范的特性,只需将I2C总线上所有的节点的串行数据线SDA和时钟线SCL分别与总线的SDA和SCL先连即可。
I2C总线具有多重主控能力,这就意味着可以允许多个作为主控器的电路模块(具有I2C总线接口的单片机)去抢总线。
所以挂接在I2C总线上的集成电路模块的发送器/接收器可以根据不同的工作状态反为主控发送器,主控接受器,被控发送器,被控接收器。
显然,具有I2C总线接口的单片机可以工作在上述4种工作状态中的任一状态,而带有I2C总线接口的存储器。
本课题是基于I2C总线的数据采集系统,要求单片机与具有I2C总线的24C02存储器件进行读写操作,本课题的思想是用4*4的开关组成的键盘或拨码开关作为外部输入,存储在24c02中,再从24C02中取出数据同在单片机,并在数码管上显示出来。
由此完成I2C总线的数据采集系统。
Abstract
I2C-busisathhigh-performanceserialbusofautomaticaddressing,high-speeddevicesynchronizationandarbitrationfunctions.Itcanachievefull-duplexdatatransmissionperfect,andistheuseofavarietyofbussignallinesintheleastnumber.I2Cbushasonlytwosignallines:
datalineSDAandtheclocklineSCL.AllaccesstoI2C-bussystemwithI2Cbusinterfacedevices,inlinewithI2C-buselectricalspecificationfeatures,ItjustneedallthenodesonthebusI2CserialdatalineSDAandSCLclocklinerespectively,andtheSCLandSDAbuscanbeconnected.Powerofeachnodecanbedifferent,buttobecommonground,theotherSDAandSCLareconnectedtothepull-upresistorrequired.Whenperformingdatatransfer,startthedatatransmissionandgeneratesadeviceknownasthemasterclocksignaldevices;
beanydevicethatcanbeaddressedasaslave;
senddatatothedeviceonthebusasatransmitter;
receivedatafromthebusThedeviceknownasthereceiver.I2Cbusisamulti-masterbus,canhavetwoormoredevicestocontrolthebusandbusconnections;
ThesameI2Cbusalsohasanarbitrationfunction,whenmorethanonemastersimultaneouslytriestocontrolthebus,onlyoneallowtoaneffective,ensurethatdataisnotdestroyed.I2Cbusaddressingtheaddressingmethodusingpuresoftwarewithoutchipselectlineconnected,sothatlossingnumberofbusesJane.Mastersendingthestartsignalimmediatelyaftertheaddresswaschargedwithsendingthedeviceaddressbyte,andprovidesdatatransferdirection.7-bitaddressbytefromtheslaveaddress(D7~D1)andadirectionbit(D0,0/1,read/write)form.
Whenthemastersendsaddressbyte,allthedevicesonthebusinthehigh-byte7-bitaddressandtheaddressoftheirdevicecomparedtoiftheyarethesame,thedeviceisbelievedtobemasteraddress,andaccordingtoread/Writebitstodeterminefromthetransmitterorfromthereceiver.
I2C-buswithmultiplemastercapability,whichmeansthatcanallowmultiplecircuitmodulesasthemaster(microcontrollerwithI2Cbusinterface)trytostealthebus.SoattachedtotheI2Cbusontheintegratedcircuitmoduletransmitter/receiveraccordingtodifferentworkingconditionscanbecountertothemastertransmitter,masterreceiver,waschargedwiththetransmitter,waschargedwiththereceiver.Obviously,withtheI2CbusinterfaceoftheMCUcanoperateintheworkofthe4stateofanystate,andmemorywithI2Cbusinterface.
OnlytwobidirectionalI2Csignalline,oneisthedatalineSDA,theotheristheclocklineSCL.AlldevicesconnectedtotheI2CbusdatalineSDAlineisreceived,thedevice'
sclocklineSCLlinesarereceived.Eachofthedevicesconnectedtothebuscanonlyaddressandthehosthasalwaysexistedbetweenthesimplesoftwareconfigurationaddress,mastercanbeusedasmastertransmitterormasterreceiver.I2Cisatruemulti-masterbus,iftwoormorehostsatthesameinitialization,datatransferviacollisiondetectionandarbitrationtopreventdatafrombeingdestroyed.8-bitbi-directionalserialdatatransmissionbitrateinthestandardmode,upto100bit/s,fastmode,upto400bit/s,high-speedmode,upto3.4Mbit/s.ICconnectedtothesamebusnumberonlybythebuscapacitanceof400pFthemaximumlimit.
ThisprojectisdataacquisitionsystembasedontheI2C-bus,requiringSCMand24C02withI2Cbustoreadandwritememorydevices,theideaofthisprojectiscomposedof4*4switchDIPswitchkeyboardorasanexternalinput,
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