Chinese Journal of Ship Research
I2C I/O总线技术在舰船能量管理系统 端口扩展中的应用
许智豪，李维波，华逸飞，徐聪，范磊
430070武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉
摘 要：［目的］为处理舰船能量管理系统的多个数字量信号，需实时获取并下达多个底层被控电站的指令与状态信号，进而对各个底层控制器的接触器、继电器、断路器及能量链切换开关依次实施有效的控制。STM32F407 I2C总线的双级隔离系统，建立高级精简指令集机器（ARM）、I2C ［方法］将 作为微控制器，设计基于I/O I2C ARM 2总线与扩展 端口芯片的硬件架构。通过软件模拟 总线时序并利用 控制器的 个通用端口，可以方128 I/O I2C总线的实时性与可靠性。［结果］ARM便地扩展 路 端口并确保 控制器能够按照既定的能量管理策略I/O I/O对各个底层控制器的 端口进行有效、可靠地扩展与实时控制。［结论］在工程应用方面，该 端口扩展方法具备一定的推广与参考价值。关键词：I2C总线；嵌入式系统；I/O端口扩展；PCA9554芯片；舰船能量管理系统中图分类号：U662.9 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01129 Xu Zhihao，Li Weibo，Hua Yifei，Xu Cong，Fan Lei School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China Abstract：［Objectives］ This paper aims to implement the multiple digital signal processing of ship energy management systems. It achieves the real-time acquisition and delivery of instructions and state signals for multiple power stations，thereby enabling the efficient and sequential control of the relays， indicator lamps and energy chains of power stations. ［Methods］ Based on the STM32F407 microcontroller，a double-isolation system is designed for the I2C bus，the topology constructed via the Advanced RISC Machine（ARM），I2C bus and I/O expander chip，and the I2C bus timing imitated by two general purpose I/O ports. This not only easily extends the 128 I/O port but ensures the effectiveness and real time property of the I2C bus.［Results］This ARM controller can reliably control all the I/O ports of the underlying controllers in real time according to the established energy management strategy. ［Conclusions］ This results of this research can be applied to other I/O port expansion engineering practices，giving it high application and promotion value. Key words：I2C bus；embedded system；I/O port expander；PCA9554 chip；ship energy management system 监测报警、输配电监控保护以及用电设备的监控0引言管理，是综合电力舰船的核心控制部分之一。在舰船能量管理系统适用于发电自动化、系统 能量管理系统中，底层控制器的数量很多，并且需
I/O要采集、发送大量的 指令信号和状态信号。如果将底层控制器的各个部件、外围设备、I/O端口都分别采用独立的线路与微处理器直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。所以，有必I/O要采用总线技术并借助 端口扩展处理芯片，从而最大限度地集成化处理数量庞大的数字量信号。I2C（Inter Integrated Circuit，I2C）总目前， 线主要应用于各类传感器、模数转换器、存储芯片、实时时钟芯片等数据处理芯片中。相较于其他总线接口，其结构简单、扩展性强，故可广泛应用于各种数据采集系统，例如云服务器中的智能家居控I2C制系统［1］，以及在移动智能终端领域中利用 总线集中处理智能终端的多种传感器［2］。I2C总线具备良好的可移植性，可以利用软件I2C I2C模拟 时序，并摆脱了处理器中 控制器的引脚范围限制。但同时，I2C也增加了软件处理的过程，降低了处理器效率，存在可靠性不高的缺点，可能会在数据传输过程中丢失或改变数据。为了I2C I2C提高 信号传输的可靠性，本文将增加 驱动芯片和专用隔离芯片，以保证其波形的稳定性。I2C将介绍通过 总线采集控制大容量数据的方法， CPU仅依靠串行数据线（Serial Data，SDA）和串即行时钟线（Serial Clock，SCL）来实现与多个外围器I2C件之间的全双工数据传输。 总线系统为串行I2C接口，传输速率快且结构简单，一条 总线上可I2C以连接多个具有 接口的设备。通过硬件外围电路即可确定各个器件的地址，再利用软件寻址即可方便地扩展多型设备。本文将基于单片机的I/O I2C普通 端口和软件编程来模拟 总线，从而实现高级精简指令集机器（Advanced RISC Machine， ARM）与 I2C 3-4］。接口器件之间的可靠通信［
1 能量管理系统的硬件架构
为了保证舰船能量管理系统的正常运行，需要采集多路数字量来获取当前电站的运行状态，并根据读入的数字量和集控台下达的指令来输出1相应的数字量信号，用以控制各底层设备。图ARM所示为基于 控制器的能量管理系统的硬件架构，其主要由顶层集控台、数字量信号处理模块及底层各个电站的开关量信号组成。首先，由具备光耦隔离功能的数字量采集模块获取各个舰船电站的出口断路器状态信号、反馈量信号和配电I2C板输入指令信号等；然后，通过 总线将所有的数字量输入电平信号传输至信号处理控制器，随 CAN即进行信号处理；最后，通过 总线和以太网与集控台进行数据交互。同时，当集控台发出指令操作数字量控制器时，信号处理控制器可以根据所采集的信号来控制参考电压，从而选择接触器、电源出口断路器分合闸、配电板指示灯等被控对象并完成相应的逻辑互锁等判断工作，用以避免底层器件的误操作情况。
2 数字量信号处理硬件的拓扑结构
CPU信号处理的硬件部分主要由 最小系统、I2C I2C I2C专用隔离芯片、 驱动芯片、基于 总线的I/O端口扩展芯片及光耦隔离芯片组成，基本结构2所示。首先，ARM I2C如图 输出的信号通过 专用1 ARM隔离芯片构成第 级隔离，以保证 读取数据I2C的抗干扰能力；然后，通过 驱动芯片使隔离后I2C I/O的 信号能够对多路 端口扩展芯片进行操2作；最后，经由光耦隔离芯片构成的第 级隔离， I/O端口扩展芯片接收或控制外部数字量信号，用以防止外部干扰影响系统内部的处理电路。其中，I/O端口扩展芯片可以配置为输入模式CPU或输出模式。当 将其配置为输入模式时，芯8片将读取外扩的 路输入信号的电平状态并将其I2C转换为 信号，在时钟信号的配合下，可将数据CPU；当信号经由驱动芯片和隔离芯片传输至CPU将其配置为输出模式时，芯片将读取经由隔I2C离芯片和驱动芯片放大的 数据，并在时钟信号的配合下由扩展芯片转换为电平信号，用以驱动光耦隔离芯片输出数字量［5-6］。
2.1 I/O端口扩展芯片
TI PCA9554/54A本文将选用 公司的 系列芯8位通用并行输入/输出端口片，该芯片可以提供（General Purpose Input Output，GPIO）的扩展功能， 3 I2C其内部结构如图 所示，主要由 总线控制器、I2C移位寄存器、中断控制器等模块组成。通过 总PCA9554/54A线控制器与移位寄存器的配合， 可I2C 8将其读取的 数据转换为 路输出信号，或在读8 I2C取 路输入状态后通过 总线将数据传输至控制器处理。其中，上电复位模块可将所有寄存器设置为默认值并将器件状态初始化。 PCA9554/54A 3 A0，A1，A2）设置了 个管脚（ 8来确定芯片的地址，最多可允许 个器件共用一I2C PCA9554 PCA9554A条 总线。 与 的唯一区别I2C 16在于固定 的地址不同，理论上最多可以允许9554 9554A 8 I2C个器件（ 和 各 个）连接到同一条总线上。
2.2 I2C专用隔离芯片
ADI ADM3260本文将选用 公司的 产品作为 I2C 4隔离芯片，其内部结构如图 所示。该芯片集成了数据信号隔离模块和电源隔离模块，可以有1效减小外部的共模干扰信号。芯片可以在高达MHz I2C的通信频率下处理双向 通道信号，从而满足本文对数字信号控制的响应速度要求。
2.3 I2C驱动芯片
TI PCA9517 I2C本文将选用 公司的 芯片作为5 5信号的驱动芯片，其内部结构如图 所示。由图可知，该驱动芯片采用了开漏机制，故器件本身只能输出低电平而无法主动输出高电平，除非通过I2C外部上拉电阻将信号拉至高电平，因此必须在PCA9517总线上设置上拉电阻。由于 芯片引脚的6mA 5V最大灌电流为 ，故对于 的上拉电平而言， 1kΩ上拉电阻不宜低于 ，以免损坏芯片端口或导致输出低电平的幅值增加。
3 I2C总线扩展I/O端口的实现方法 3.1 I2C总线的原理
I2C SDA SCL总线由一条 和一条 组成，从设备SCL将在 时钟信号的控制下读取主设备传输的数据信号。当时钟信号为高时，读取数据线的电平信号；时钟信号为低时，允许改变数据线的电平信号。根据选用的从设备通信协议，可以对从设备进行寻址和数据传输。I2C启动 总线后，主机即可对从设备进行寻址I2C 1 8个操作。 从设备的地址为 个字节，即需要时间周期来完成寻址操作，若某个从设备的地址对应主机发送的地址，该从设备便在下一个时钟周期反馈一个应答信号，之后即可读取从设备的I2C数据信息或对该从设备进行写操作。分析了I/O I2C的读取时序之后，即可利用普通 端口模拟时序［7-9］。SCL SDA当 为高时， 由高到低的跳变定义为SCL为低时，SDA启动信号；当 由低到高的跳变定义为停止信号。1发送设备每发送 个字节，就在下一个时钟周期内开始读取应答信号状态，由此来判断接收设备是否正确收到了该字节。当应答信号为低电平时，表示接收设备已成功接收该字节，即为有效号（Acknowledgment，ACK）；当应答信号为应答信高电平时，一般表示接收设备未成功接收该字节， Negative Acknowledgment，即 为 非 应 答 信 号（ NACK）。 由于需要在时钟信号为高时读取数据，所以当从设备为发送设备、主设备为接收设备时，ACK波形应在时钟信号为高时保持为低。如果主设备1 1个为发送设备，则当其收到 个字节后即发送NACK信号，用以通知被控发送器结束数据发送， I2C并产生一个停止信号，由此结束 总线的本轮操作。I2C在 总线上传送的每一位数据都有一个时SCL钟脉冲与之对应（或同步控制），即在 串行时SDA钟的配合下，在 上逐位串行传送每一位数据。
3.2 I/O端口扩展的方法
6 I2C图 所示为 总线启、停信号的软件模拟方I2C法。首先，根据 总线的启动信号和停止信号波4μs形将时钟信号保持为高电平，延时 后，将数据信号电平由高设置为低；然后，发出启动信号，再将时钟信号设置为低电平，准备发送或接收数据；最后，在发送停止时将时钟信号保持为高电平，延4μs时 后，将数据信号电平由低设置为高。 发送启动信号后，将由控制器发送芯片的地址。芯片地址实际上由硬件电路决定，地址长度1 7 8为 个字节，其中前 位为地址，第 位为数据方向位，这个方向位也决定了下一个操作是接收还1是发送。当主机收到该数据的应答后，将写入个字节的控制指令，0x00 PCA9554表示 之后的输0x01 0x03入端口寄存器， 表示输出端口寄存器，则表示输入/输出模式配置。若0x03设置为输入8 0x03模式，则依次读取扩展的 路输入信号；若 设
1 8路置为输出模式，则发送 个字节以控制扩展的I/O PCA9554输出信号。 端口扩展芯片 的写数 7据和读数据的时序如图 所示，其中n为端口数据量。
4 工程应用示例
本数字量处理模块的主要应用目标为控制舰船能量管理系统的各个电站开关量，为了验证工64程应用效果，本文设计了一块含有 路拨码开关64 LED （数字量输入）与 路 发光二极管（数字量输出）的工装板。当拨通某一路输入开关时，相应的LED灯便会发光，以验证数字量采集、处理、输出I2 C PCA9554整个环节的可靠性。通过 总线向 写8入字节的波形如图 所示。CPU 8 SDA在 发出启动信号后的 个周期内， 1 0x4A，对将发出 个字节的地址信号 应于输出板5 CPU的第 块芯片。收到应答信号后，即可认为与该芯片通信正常。8个周期内，SDA 1在本轮操作之后的 将发出0x01，即将该芯片配置为输出个字节的控制命令模式。收到应答信号后，CPU将控制该芯片输出0xAA，而工装板上的输出状态也设定的数据字节 0xAA。为 8 I2C由图 可知，模拟 总线时序可以有效控制I/O I/O端口扩展芯片，从而实现 端口的扩展工作。目前，本文提出的舰船能量管理系统的数字
量处理模块已完成电磁干扰试验和环境试验，并已进行实船安装且运行状态良好。9若从设备存在问题，则将会出现如图 所示1 CPU的情况［5］。即接受 个字节数据后，从设备向1 CPU发出 帧非应答信号，随后 将直接发送停止信号，并不再对该芯片进行操作。
5结语
I2C本文采用软件编程模拟 总线的方法，利用2 GPIO I2C个 端口实现了对 总线接口器件的访问， I2C扩大了串行扩展总线 器件的应用范围。通过PCA9554/54A 128 I/O采用 芯片，可以最多扩展 个端口，有效节约了芯片的引脚资源，简化了系统结构，并使得多个数字量的采集与控制工作不再受I/O单片机自身 端口不足的限制。通过专用芯片ADM3260，可 I2C以将 信号进行隔离，并适当增加I2C信号的电平延时时间，从而大为提高系统的可靠性。该系统易于移植到其他单片机系统上，在工业控制领域具备一定的推广与参考价值。I2C然而，采用软件模拟 波形时，虽然精简了CPU硬件资源，但也占用了较多的 资源，故其数据100处理时间比直接引脚访问增加了 倍以上。因此，在设计系统时需要统筹考虑，应在满足时序需求的情况下尽量减少硬件资源的占用。
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