【正文】 西安郵電學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題 目： 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 院 （系） ： 自動(dòng)化 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級： 自動(dòng) 0702 班 學(xué)生姓名： 任杰 導(dǎo)師姓名： 周生祥 職稱： 副教授 起止時(shí)間： 2021 年 03 月 14 日 至 2021 年 06 月 19 日 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2 西 安 郵 電 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )任務(wù)書 學(xué)生姓名 ：任杰 指導(dǎo)教師 ：周生祥 職稱 ：副教授 系別 ：自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè) ：自動(dòng)化 題目 ：基 于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 任務(wù)與要求 了解 I2C 總線的協(xié)議及規(guī)范，編寫其控制模塊。并對編寫的模塊進(jìn)行仿真 ,仿真無誤后， 進(jìn)行硬件的焊接， 完成 I2C 總線 的數(shù)據(jù)采集 。 開始日期 2021 年 3 月 14 日 完成日期 2021 年 6 月 19 日 系主任 (簽字 ) 年 月 日 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 3 西 安 郵 電 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論文 ) 工 作 計(jì) 劃 學(xué)生姓名 __任杰 ___指導(dǎo)教師 ___周生祥 ___職稱 ____副教授 ___ 系別 ____ _自動(dòng)化學(xué)院 ___________專業(yè) _______自動(dòng)化 _ 題目 _ 基于 I2C總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ________________________________ __________ ______ 工作進(jìn)程 ： ～ 了解編寫此課題的 背景知識， 具體細(xì)節(jié)，明確所涉及的內(nèi)容，確立畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目 ； ～ 學(xué)習(xí)有關(guān) I2C 協(xié)議的相關(guān)知識，包括 I2C的， I2C 協(xié)議及規(guī)范 ，和硬件模塊的設(shè)計(jì) ； ～ 規(guī)劃設(shè)計(jì)方 案， 學(xué)習(xí)相關(guān) EDA 工具的使用方法包括 Proteus 等； ～ 編 寫硬件 代碼、仿真，綜合； ～ 形成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，請指導(dǎo)老師評改，改進(jìn)并加以整合，完成設(shè)計(jì) ； ～ . 19 書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 、整理 ，準(zhǔn)備 PPT， 答辯 。 起 止 時(shí) 間 工 作 內(nèi) 容 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 4 硬件描述語言相關(guān)書籍 相關(guān) EDA 軟件的參考資料 keil 開發(fā)板一套 計(jì)算機(jī)一臺，相關(guān) EDA 軟件。 論文 (設(shè)計(jì) )過程中教師的指導(dǎo)安排 提交開題報(bào)告，敘述對畢業(yè)論文任務(wù)書的理解和完成計(jì)劃； 上報(bào)畢業(yè)論文和完成步驟和情況； 完成余下的工作計(jì)劃，預(yù)計(jì)困難，對應(yīng)的措施； 按要求上交設(shè)計(jì)成果與論文，進(jìn)行相應(yīng)的答辯 主要參考書目 (資料 ) 主要儀器設(shè)備及材料 對計(jì)劃的說明 無 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 5 西安郵電學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )開題報(bào)告 自動(dòng)化 院（系） 自動(dòng)化 專業(yè) 07 級 02 班 課題名稱： 基 I2C 總線的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 學(xué)生姓名： 任杰 學(xué) 號： 06071043 指導(dǎo)教師： 周生祥 報(bào)告日期： 2021330 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 6 1． 本課題所涉及的問題及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述 課題所涉及的問題 I2C 總線是一種具有自動(dòng)尋址，高低速設(shè)備同步和仲裁等功能的高性能串行總線。能夠?qū)崿F(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，是各種總線中的使用信號線數(shù)量最少的。 I2C 總線只有兩根信號線：數(shù)據(jù)線 SDA 和時(shí)鐘 線 SCL。所有進(jìn)入 I2C 總線系統(tǒng)中的設(shè)備都帶有 I2C總線借口，符合 I2C 總線電氣規(guī)范的特性，只需將 I2C 總線上所有的節(jié)點(diǎn)的串行數(shù)據(jù)線SDA 和時(shí)鐘線 SCL 分別與總線的 SDA 和 SCL 先 連即可。各節(jié)點(diǎn)供電可以不同，但需共地，另外 SDA 和 SCL 需要分別接上拉電阻。當(dāng)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送并產(chǎn)生時(shí)鐘信號的器件稱為主器件；被尋址的任何器件都可看作從器件；發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上的器件稱為發(fā)送器；從總線上接收數(shù)據(jù)的器件稱為接收器。 I2C 總線是多主機(jī)總線，可以有兩個(gè)或更多的能夠控制總線的器件與總線連接；同時(shí) I2C 總線還具有仲裁功能，當(dāng)一個(gè)以上的主器件同時(shí)試圖控制總線時(shí)，只允許一個(gè)有效，從而保證數(shù)據(jù)不被破壞 .I2C 總線的尋址采用純軟件的尋址方法，無需片選線的連接，這樣就簡少了總線數(shù)量。主機(jī)在發(fā)送完啟動(dòng)信 號后，立即發(fā)送尋址字節(jié)來尋址被控器件，并規(guī)定數(shù)據(jù)傳送方向。尋址字節(jié)由 7 位從機(jī)地址（ D7～ D1）和 1 位方向位（ D0， 0/1，讀 /寫）組成。 當(dāng)主機(jī)發(fā)送尋址字節(jié)時(shí)，總線上所有器件都將該尋址字節(jié)中的高 7 位地址與自己器件的地址比較，若兩者相同，則該器件認(rèn)為被主機(jī)尋址，并根據(jù)讀 /寫位確定是從發(fā) 送器還是從接收器。 I2C 總線句有多重主控能力，這就意味著可以允許多個(gè)作為主控器的電路模塊（具有 I2C總線接口的彈片機(jī)）去搶總線。因此掛接在 I2C 總線上的集成電路模塊的發(fā)送器 /接收器可以根據(jù)不同的工作狀態(tài)反為住控發(fā)送器，主控接 受器，被控發(fā)送被控接收器。顯然，具有 I2C 總線接口的單片機(jī)可以工作在上述 4 種工作狀態(tài)中的任一狀態(tài)，而帶有 I2C 總線接口的存儲器 I2C 只有兩根雙向的信號線，一根是數(shù)據(jù)線 SDA，另一根是時(shí)鐘線 SCL。所有連接到I2C 總線上器件的數(shù)據(jù)線都是接到 SDA 線上，各器件的時(shí)鐘線均接到 SCL 線上。每個(gè)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(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址，主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器。 I2C 是一個(gè)真正的多主機(jī)總線，如果兩個(gè)或更多主機(jī)同時(shí)初始化，數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞。串行的 8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá) 100bit/s，快速模式下可達(dá) 400bit/s，高速模式下可達(dá) 。連接到相同總線的 IC 數(shù)量只受到總線的最大電容 400pF 限制。 I2C 總線位傳輸數(shù)據(jù)的有效性是指： SDA 線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL 線的時(shí)鐘信號是低電平時(shí)才能改變。起始和終止條件是： SCL 線是高電平時(shí)， SDA 線從高電平向低電平切換，這個(gè)是起始條件， SCL 線是高電平時(shí)， SDA 線由低電平向高電平切換，這個(gè)是停止條件，起始和停止條件一般有主機(jī)產(chǎn)生， 總線在起始條件后被認(rèn)為處于忙的狀態(tài)，在停止條件的某段時(shí)間后總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。 現(xiàn)狀綜述 I2C總線產(chǎn)生于在 80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個(gè)組件進(jìn)行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?？呻S時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 7 近年來芯片間的串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)被大量采用，由于數(shù)據(jù)的串行傳輸連接線少，采用串行總線技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡化、系統(tǒng)的體積 減小、可靠性提高，同時(shí)系統(tǒng)的更改和擴(kuò)充極為容易。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，許多廠商不斷推出 I2C 總線接口器件，如 E2OROM、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 LED 及 LCD 驅(qū)動(dòng)器、日歷時(shí)鐘電路等。對于 80C51 系列單片機(jī)，有一些品種在片上配置了 I2C 總線接口，但多數(shù)品種沒有配置 I2C 總線接口。這時(shí)就可以利用通用并行I/O 口線模擬 I2C 總線接口時(shí)序，使這些單片機(jī)不受帶有 I2C 總線接口的限制。因此在許多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可以將 I2C 總線的模擬傳送技術(shù)作為常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)使用 I2C 總線擴(kuò)展時(shí)，多為單主結(jié)構(gòu)的形式，在這種 系統(tǒng)中， I2C 單主機(jī)方式，總線數(shù)據(jù)的傳送控制比較簡單，沒有總線的競爭與同步，只存在單片機(jī)對 I2C 總線上各從器件的讀（單片機(jī)接收）、寫（單片機(jī)發(fā)送）操作。 2． 本課題需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題、解決的思路及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 本設(shè)計(jì)采用 KEIL開發(fā)和編程工具對 I2C總線接口進(jìn)行設(shè)計(jì)， KEIL設(shè)計(jì)流程是指利用KEIL開發(fā)和編程工具，采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)待設(shè)計(jì)的過程，完成 KEIL設(shè)計(jì)流程包括電路設(shè)計(jì)與輸入、功能仿真、綜合、綜合后仿真、實(shí)現(xiàn)后仿真與驗(yàn)證、板級仿真與調(diào)試等主要步驟。 主要研究內(nèi)容： 多主通 信就是在總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)既可以作為主節(jié)點(diǎn)訪問其他的節(jié)點(diǎn)，也可以作為從節(jié)點(diǎn)被其他節(jié)點(diǎn)訪問。當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖占用總線時(shí)，就需要總線的仲裁。對于模擬 I2C總線系統(tǒng)，怎樣實(shí)現(xiàn)總線的仲裁是現(xiàn)在研究模擬 I2C總線系統(tǒng)的難點(diǎn)。在系統(tǒng)中增加 1根 BUSY線，在占用總線之前先檢測 BUSY線，看總線是否被占用。若總線空閑，則設(shè)置 BUSY線并向總線上傳送數(shù)據(jù)；否則，接收數(shù)據(jù)，直到總線空閑時(shí)才占有總線。這種實(shí)現(xiàn)多主通信的方法有兩個(gè)缺點(diǎn)： ① 因?yàn)?I2C最大的優(yōu)點(diǎn)就是接口少、效率高，這樣做不僅增加了使用資源而且減少了 I2C總線的優(yōu)勢； ② 當(dāng)主節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多時(shí)，等待時(shí)間比較長，效率不高。 解決思路： 本設(shè)計(jì)根據(jù)總線的仲裁原理，提出一種基于延時(shí)比較的仲裁方法。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)想要占用總線時(shí)，先檢測總線上是否空閑，如果總線是空閑的就發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，將總線上的數(shù)據(jù)接收并與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果不同，說明總線上同時(shí)還存在其他節(jié)點(diǎn)，于是就退出；否則，一直到發(fā)送完數(shù)據(jù)。這種方法既體現(xiàn)了 I2C總線的高效性，同時(shí)還具有良好的擴(kuò)展性。 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 8 3． 完成本課題的工作方案 ～ 了解編寫此課 題的 背景知識， 具體細(xì)節(jié) ，明確所涉及 的內(nèi)容，確立畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目 ； ～ 學(xué)習(xí)有關(guān) KEIL 設(shè)計(jì)的相關(guān)知識，包括硬件描述語言的學(xué)習(xí)， I2C 總線的協(xié)議及規(guī)范 ，和硬件模塊的設(shè)計(jì) ； ～ 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案， 學(xué)習(xí)相關(guān) KEIL 工具的使用方法包括 Proteus 等； ～ 編 寫 I2C 協(xié)議控制器模塊 硬件 代碼、仿真，綜合； ～ 形成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，請指導(dǎo)老師評改， 改進(jìn) 并加以整合，完成設(shè)計(jì) ； ～ . 19 書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 、整理 ，準(zhǔn)備 PPT， 答辯 。 4． 指導(dǎo)教師審閱意見 指導(dǎo)教師 (簽字 )： 年 月 日 說明： 本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )課題任務(wù)的學(xué)生在畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 正式開始基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 9 的第 1 周周五之前獨(dú)立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 10 西安郵電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )成績評定表 學(xué)生姓名 任杰 性別 男 學(xué)號 06071043 專 業(yè)班 級 自動(dòng) 0702 班 課題名稱 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 課題 類型 科研題目 難度 較難 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間 2021 年 3 月 14 日 ～ 6 月 19 日 指導(dǎo)教師 周生祥 (職稱： 副教授 ) 課 題 任 務(wù) 完 成 情 況 論 文 (千字 )； 設(shè)計(jì)、計(jì)算說 明書 (千字 )； 圖紙 (張 )； 其它 (含附 件 )： 指導(dǎo)教師意見 分項(xiàng)得分：開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分； 論文撰寫（規(guī)范） 分； 學(xué)習(xí)態(tài)度 分； 外文翻譯 分 指導(dǎo)教師審閱成績： 指導(dǎo)教師 (簽字 )： 年 月 日 評 閱 教 師 意見 分項(xiàng)得分：選題 分； 開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分； 論文撰寫（規(guī)范） 分； 外文翻譯 分 評閱成績： 評閱教師 (簽字 )： 年 月 日 基于 I2C 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 11 驗(yàn)收小組意見 分項(xiàng)得分：準(zhǔn)備情況 分； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量 分； （操作）回答問題 分 驗(yàn)收成績： 驗(yàn)收教師 (組長 )(簽字 )： 年 月 日 答 辯 小組 意 見 分項(xiàng)得分：準(zhǔn)備情況 分； 陳述情況 分； 回答問題 分； 儀表 分 答辯成績： 答辯小組組長 (簽字 )： 年 月 日 成績計(jì)算方法 (填寫本 院系 實(shí)用比例 ) 指導(dǎo)教師成績 20 (％ ) 評閱成績 30 (％ ) 驗(yàn)收成績 30 (％ ) 答辯成績 20 (％ ) 學(xué)生實(shí)得成績 (百分制 ) 指導(dǎo)教師成績 評閱成績