CN117544598B - 一种i2c总线地址自动分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种I2C总线地址自动分配方法，属于I2C总线技术领域，解决了现有技术中硬件成本高、手动分配方式困难的问题；该方法中，主设备执行地址扫描算法，确定空闲地址；随后向所有已连接I2C总线的从设备广播地址分配命令，未获得地址分配的从设备均响应此命令，发出地址响应帧；主设备每接收1个地址响应帧，即从空闲地址中选出1个具体地址，发送给对应从设备，完成I2C总线地址的自动分配；地址扫描算法将I2C的每个地址信息，依次向所有从设备广播，通过从设备响应情况来确定空闲地址；本发明降低了硬件电路的复杂度，在减少材料和加工成本的同时也扩展了I2C地址分配范围，整个通信系统具有更好的可扩展性与灵活性。

Description

一种I2C总线地址自动分配方法

技术领域

本发明属于I2C总线技术领域中，应用于地址分配过程，具体为一种I2C总线地址自动分配方法。

背景技术

集成电路总线（Inter-Integrated Circuit, IIC）是一种具有简单、双向、二进制与同步串行特点的控制总线，通常被称作I2C总线。I2C总线通信技术可保存各类参数配置信息，因此被广泛用于各种电子系统中；而这些电子系统在调试时，需要通过I2C总线上关联的I2C设备来获取相关信息，这就需要确保每个I2C设备具有独立的设备地址。

现有的I2C地址分配方法中，通过设定不同的电阻类型与位数，依照特定的电路连接方式，实现分配过程，这导致电阻及电路加工成本较高。此外，现有I2C地址通常为7位，其中前4位地址由设备厂家预设固定，无法更改，只能通过后3位地址的修改来分配I2C地址，具有较大的局限性。

随着技术的发展，I2C总线中的地址分配场景，已逐渐由微控制器结合IO卡的方式实现；但这一方式中，还需通过复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable LogicDevice, CPLD）来设定对应开关，以控制IO卡在地址分配时的I2C地址数据流通过程。随着大型I2C通信系统中IO卡数量的增多，电路设计中的开关数量也随之增多，控制成本因此上升。同时，现有技术在设备地址的具体分配过程中，也仍采用手动分配方式，这可能导致地址的重复冲突，或是在添加或移除设备时带来管理上的困难。

因此，如何针对I2C地址分配的问题，从逻辑方法中给出一种软件协议上的改进，来实现I2C总线中自动分配地址的效果，便成为了本领域技术人员的关注要点。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术在I2C总线地址分配中存在的局限性问题，通过在微控制器中引入新的软件协议的方式，实现地址自动分配的效果。本发明为I2C设备的连接与通信过程提供了便利，降低了硬件电路的复杂度，在减少材料和加工成本的同时也扩展了I2C地址分配的范围，从而提高了整个通信系统的可扩展性与灵活性。

本发明采用了以下技术方案来实现目的：

一种I2C总线地址自动分配方法，包括如下步骤：

S1、主设备上电，执行地址扫描算法，确定出I2C总线通信中可用的空闲地址；

S2、主设备向所有已连接I2C总线的从设备广播地址分配命令；

S3、未获得地址分配的1个或多个从设备响应地址分配命令，向主设备发送地址响应帧；

S4、主设备每接收1个地址响应帧，从空闲地址中选出1个具体地址，发送给当前地址响应帧对应的从设备；

S5、从设备接收具体地址后，向主设备发送地址确认帧，完成I2C总线地址的自动分配过程。

进一步的，地址扫描算法由主设备中内置的微处理器进行执行，执行过程为：将I2C地址范围中的每个地址信息，通过地址请求命令，依次向所有已连接I2C总线的从设备广播，每1次地址请求命令的广播仅包括1个地址信息；如果任意从设备响应了地址请求命令，则确定当前地址请求命令中包含的地址信息已被占用；如果地址请求命令广播后，在预设时间内无任何从设备响应，则确定当前地址请求命令中包含的地址信息为可用的空闲地址。

优选的，在主设备首次上电时，检查主设备内置的存储器，判断存储器中是否存放有当前已连接I2C总线的所有从设备的预设地址；若所有从设备的预设地址均存在，且预设地址互不冲突，主设备则直接将预设地址发送给对应的从设备，完成I2C总线地址的自动分配过程。

进一步的，在预先判断过程中，若所有从设备的预设地址均存在，但预设地址中包括冲突地址时，主设备开始执行地址扫描算法，先将确定出的可用的空闲地址存放至存储器中，随后判断从设备中是否已具有地址；若不具有，则进行地址分配，完成地址自动分配过程；若已具有，则进行冲突处理；冲突处理过程为：通过包含有冲突地址的地址请求命令，获得多个从设备的响应信号；再从可用的空闲地址中，选出与响应信号个数相同的具体地址，发送给对应的从设备，完成地址自动分配过程。

具体的，执行地址扫描算法时，如果某次地址请求命令获得了多于1个从设备的响应信号，将该次地址请求命令包含的具体地址确定为冲突地址，代表从设备中已具有冲突地址，并在确定出可用的空闲地址后，针对冲突地址进行相同的冲突处理过程，完成地址自动分配过程。

优选的，所述S4中，主设备从空闲地址中选出具体地址的过程，采用随机选取方式或顺序选取方式，并将选出的具体地址标记为占用地址；执行地址扫描算法时，若某次地址请求命令仅获得1个从设备的响应信号，则将该次地址请求命令包含的具体地址也确定为占用地址，对应的从设备不再进行地址分配过程；占用地址均被记录于主设备内置的存储器中。

优选的，在I2C总线通信过程中，主设备通过电平信号变化，检测是否有新的从设备连接至I2C总线；当有新的从设备连接时，主设备执行地址扫描算法，进行新增从设备的自动分配过程；当已连接的从设备需要从I2C总线中移除时，从设备向主设备发送移除请求信号；主设备将存储器中对应从设备的占用地址重新标记为空闲地址后，向从设备发送移除确认信号，从设备随后进行移除操作。

综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

本发明的方法原理可由微控制器中的软件编程方式实现，从而自动为连接至I2C总线的设备分配对应的I2C地址，避免了手动分配工作的繁琐过程；同时，本发明可完全通过软件方法的改进达成效果，也就减少了CPLD、电阻和开关等器件在I2C总线电路硬件架构中的设计过程，降低了硬件成本。

本发明还可以依据通信系统的需求，动态地分配地址，避免了I2C设备的7位地址中前4位在出厂时就被预设而不可改变的问题，提高了地址分配的灵活性；I2C地址分配过程可依据所应用通信系统的个性化需求，自定义其长度与数量。

本发明的方法可扩展至各类使用I2C总线协议进行通信的系统中，如嵌入式系统和物联网设备等。该方法具备自动、可靠和灵活的优点，能简化应用系统的硬件配置成本，提升I2C设备的连接与通信效率。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程示意图；

图2为I2C总线通信系统的硬件架构示意图；

图3为本发明的地址扫描算法的流程原理示意图；

图4为本发明中主设备首次上电的预先判断过程示意图；

图5为本发明中主设备的冲突处理过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组成可以按各种不同的方式配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种I2C总线地址自动分配方法，方法整体步骤如下：

S1、主设备上电，执行地址扫描算法，确定出I2C总线通信中可用的空闲地址；

S2、主设备向所有已连接I2C总线的从设备广播地址分配命令；

S3、未获得地址分配的1个或多个从设备响应地址分配命令，向主设备发送地址响应帧；

S4、主设备每接收1个地址响应帧，从空闲地址中选出1个具体地址，发送给当前地址响应帧对应的从设备；

S5、从设备接收具体地址后，向主设备发送地址确认帧，完成I2C总线地址的自动分配过程。

本实施例将按照方法的步骤顺序，详细具体的介绍每一步骤的具体内容。同时，作为一种软件协议类的方法改进，本实施例对I2C总线通信系统的硬件架构不做更改，采用如下典型架构，可参看图2的示意：

系统包括1个主设备与多个从设备，主设备与从设备间采用I2C总线连接，I2C总线包括串行数据线（Serial Data Line, SDA）与串行时钟线（Serial Clock Line, SCL）。

主设备内置有微处理器和存储器，主设备负责提供I2C总线通信的工作时钟同步与地址扫描分配功能，也负责实现地址冲突处理的相关功能。

从设备主要对主设备通过I2C总线广播的通信信号做出响应反馈，并对主设备分配的I2C地址进行接收与确认。

系统还包括主从设备切换单元和电源等结构，均为现有技术，在此不再赘述；主设备内置的存储器将作为I2C地址数据的存放地点。

以下为本实施例的方法具体执行过程。

首先，主设备确定出I2C总线通信中可用于分配的I2C地址范围。I2C总线的地址通常是7位二进制数，可扩展至10位。本实施例采用7位地址做详细说明，理论上可连接最多128个从设备；对于7位地址，地址范围由0x00至0x7F，本实施例将0x00保留为I2C总线地址，用于信号广播过程。

I2C地址范围确定后，执行地址扫描算法。地址扫描算法由主设备中内置的微处理器进行执行，执行过程可同步参看图3的示意，具体为：将I2C地址范围中的每个地址信息，通过地址请求命令，依次向所有已连接I2C总线的从设备广播，每1次地址请求命令的广播仅包括1个地址信息，以实现逐个尝试的目的；在地址请求命令的广播过程中，如果任意从设备响应了地址请求命令，则可以确定当前地址请求命令中包含的地址信息已被占用；如果地址请求命令广播后，在预设时间内无任何从设备响应，则确定当前地址请求命令中包含的地址信息为可用的空闲地址。

经过地址扫描算法后，可获得I2C地址范围内的多个空闲地址，这些空闲地址被存放于主设备内置的存储器中，用于后续从设备的地址分配过程。

主设备开始对从设备进行地址分配，通过I2C总线，向所有已连接I2C总线的从设备广播地址分配命令；未获得地址分配的所有从设备持续监听I2C总线中的地址分配命令，并在地址分配命令出现时做出响应，依次与主设备建立地址分配通信。

从设备的地址分配响应方式为发送地址响应帧，表示其已检测到地址分配命令的广播，并做好了进行地址分配的准备。主设备针对从设备的回应，每接收到1个地址响应帧，就从已经确定好的多个空闲地址中，选出1个具体地址，发送给当前地址响应帧对应的从设备。

本实施例中，主设备从空闲地址中选出具体地址的过程，采用随机选取方式或顺序选取方式，为从设备确定出一个唯一的7位地址。这一选出的具体地址将在发送后被标记为占用地址，存放于主设备内置的存储器中。并且，在执行地址扫描算法时，若某次地址请求命令仅获得1个从设备的响应信号，则将该次地址请求命令包含的具体地址也确定为占用地址，对应的从设备不再进行地址分配过程。

因此，在主设备内置的存储器中，每个I2C地址数据可分为两种标记状态，即空闲地址和占用地址；这一标记列表或数据结构可在地址分配过程中，避免同一地址的重复使用。

从设备在接收由主设备发送的具体地址后，进行地址的确认；从设备向主设备反馈一个地址确认帧，表明分配的地址已被成功接收并确认。本实施例中，由于主设备的地址分配过程均是在空闲地址中选取，因此可确保没有地址被重复使用。

上述方法过程使得I2C总线通信系统的主设备能自动的将I2C地址分配给每个从设备，同时还确保了地址的唯一性，无需手动配置I2C地址。此外，上述过程中，主设备还通过地址扫描算法，解决分配过程中可能出现的地址冲突或错误情况。

本实施例的方法过程可依据实际应用场景下的编程语言和硬件平台，在现有I2C总线通信系统的架构上编写相应的程序代码，实现地址自动分配功能，例如I2C广播信号的发送，从设备的响应和地址扫描算法等。在编程时需参考选用芯片的规格书及数据手册，了解其支持的I2C地址范围、地址保留参数和一些特定要求，最终实现I2C总线地址的自动分配。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明针对I2C总线地址自动分配过程中的一些具体情况，做出相应方法的优选说明。

对于一个I2C总线通信系统，在系统设计时可初步判断其主从设备数量及地址关系；因此本实施例中，当系统硬件连接完成后，在主设备首次上电时，面对的地址分配情况可能包括：所有从设备均具有预设地址、所有从设备均不具有预设地址、以及部分从设备具有预设地址。预设地址可以是从设备中已经接收完成可直接应用的，也可以是地址分配关系预先存放于主设备内置的存储器中的。

因此，当主设备首次上电时，如图4所示，通过预先判断过程，检查存储器中的预设地址存放情况。如果所有从设备均具有预设地址，预设地址已经接收完成且无冲突，便可直接开始通信过程；如果仅是存储有分配关系，主设备就可直接将预设地址发送至对应从设备，完成I2C总线地址的自动分配过程。

可再参看图4，在本实施例的上述预先判断过程中，如果存储器经检查后，内容为空，或已连接的所有从设备中，缺失至少1个预设地址时，主设备就依照实施例1的方法，开始逐步进行地址分配过程，使得初次上电后的I2C总线通信系统完成自动分配地址过程，开始实际通信。

主设备的首次上电，说明系统在此之前还未开始工作，可通过预先判断过程对地址分配情况做初步分析；后续应用中，对于系统的暂时关闭，主设备二次上电后，可无需重复判断，继续沿用初次上电后对地址的分配情况，进行后续使用；仅在从设备发生更改时，再启动地址自动分配的相关功能。

在实际应用过程中，可能发生地址冲突情况；相关情况易发生在预先判断过程和新增从设备时，此时需要主设备解决相应的冲突和错误情况。

在从设备中并未存在具体地址的情况下，如果存储器中预先存储的预设地址分配关系存在冲突，例如两个从设备被预存了相同的I2C地址，那么主设备不会直接将对应地址发送，而是从地址扫描算法开始，重新执行整个地址分配过程。但是，当主设备首次上电，也就是整个通信系统首次启动时，如果从设备中已经存在具体地址，且具体地址中存在冲突，就需要进行冲突处理。

本实施例中，冲突处理还发生在以下情况：如图5所示，当主设备执行地址扫描算法时，如果某次地址请求命令获得了多于1个从设备的响应信号，将该次地址请求命令包含的具体地址也确定为冲突地址，代表从设备中已具有冲突地址，需要进行冲突处理。

被认定为存在冲突地址的从设备，需要被主设备重新进行地址分配。为了保证此时地址分配的唯一性，可参看图5，主设备的冲突处理过程为：在经过地址扫描算法得到可用的空闲地址后，通过包含有冲突地址的地址请求命令，获得多个从设备的响应信号；再从可用的空闲地址中，选出与响应信号个数相同的具体地址，发送给对应的从设备。这一处理方式使得从设备得到了新的地址分配，相互间不再产生冲突。

在本实施例的方法下，I2C总线通信过程中新的从设备连接时，主设备可通过I2C总线电平变化进行确认；每当有新的从设备连接时，主设备便执行地址扫描算法，确定出可用的空闲地址，这一过程也将新增从设备的地址情况进行了扫描，无论其是否已具有地址，已具有的地址是否与原有从设备间产生了冲突，都能在主设备的管控下，完成正确的地址分配，进入I2C总线通信系统，进行通信。

当已连接的从设备需要从I2C总线中移除时，从设备先向主设备发送移除请求信号；主设备接收到移除请求信号后，可直接将存储器中对应从设备的占用地址删去，在下1次执行地址扫描算法时重新将其确定为空闲地址；也可以在此时将从设备的占用地址直接标记为空闲地址；随后，主设备向从设备发送移除确认信号，从设备随后进行移除操作。

综上，本实施例完善了实施例1的方法在一些具体情况下的解决方式，整个方法过程通过软件协议的方式，确保了I2C总线通信中，每个从设备被正确、自动的分配了地址，避免了冲突和错误情况的发生。

Claims (8)

1.一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、主设备上电，执行地址扫描算法，确定出I2C总线通信中可用的空闲地址；

S2、主设备向所有已连接I2C总线的从设备广播地址分配命令；

S3、未获得地址分配的1个或多个从设备响应地址分配命令，向主设备发送地址响应帧；

S4、主设备每接受1个地址响应帧，从空闲地址中选出1个具体地址，发送给当前地址响应帧对应的从设备；

S5、从设备接收具体地址后，向主设备发送地址确认帧，完成I2C总线地址的自动分配过程；

其中，在主设备首次上电时，检查主设备内置的存储器，判断存储器中是否存放有当前已连接I2C总线的所有从设备的预设地址；若所有从设备的预设地址均存在，且预设地址互不冲突，主设备则直接将预设地址发送给对应的从设备，完成I2C总线地址的自动分配过程；

若所有从设备的预设地址均存在，但预设地址中包括冲突地址时，主设备开始执行地址扫描算法，先将确定出的可用的空闲地址存放至存储器中，随后判断从设备中是否已具有地址；若不具有，则进行地址分配，完成地址自动分配过程；若已具有，则进行冲突处理；冲突处理过程为：通过包含有冲突地址的地址请求命令，获得多个从设备的响应信号；再从可用的空闲地址中，选出与响应信号个数相同的具体地址，发送给对应的从设备，完成地址自动分配过程。

2.根据权利要求1所述的一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：所述S1中，主设备上电后，预先确定出I2C总线通信中可用于分配的I2C地址范围；在I2C地址范围的基础上，执行地址扫描算法。

3.根据权利要求2所述的一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：地址扫描算法由主设备中内置的微处理器进行执行，执行过程为：将I2C地址范围中的每个地址信息，通过地址请求命令，依次向所有已连接I2C总线的从设备广播，每1次地址请求命令的广播仅包括1个地址信息；如果任意从设备响应了地址请求命令，则确定当前地址请求命令中包含的地址信息已被占用；如果地址请求命令广播后，在预设时间内无任何从设备响应，则确定当前地址请求命令中包含的地址信息为可用的空闲地址。

4.根据权利要求3所述的一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：在主设备首次上电时对存储器中预设地址的预先判断过程中，若存储器为空或缺失至少1个从设备的预设地址，主设备则开始执行步骤S1的地址扫描算法；通过地址扫描算法确定出可用的空闲地址后，将空闲地址存放至存储器中，用于后续的地址分配过程。

5.根据权利要求4所述的一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：执行地址扫描算法时，如果某次地址请求命令获得了多于1个从设备的响应信号，将该次地址请求命令包含的具体地址确定为冲突地址，代表从设备中已具有冲突地址，并在确定出可用的空闲地址后，针对冲突地址进行相同的冲突处理过程，完成地址自动分配过程。

6.根据权利要求1所述的一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：所述S3中，未获得地址分配的所有从设备持续监听I2C总线中的地址分配命令，并在地址分配命令出现时做出响应，依次与主设备建立地址分配通信。

7.根据权利要求3所述的一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：所述S4中，主设备从空闲地址中选出具体地址的过程，采用随机选取方式或顺序选取方式，并将选出的具体地址标记为占用地址；执行地址扫描算法时，若某次地址请求命令仅获得1个从设备的响应信号，则将该次地址请求命令包含的具体地址也确定为占用地址，对应的从设备不再进行地址分配过程；占用地址均被记录于主设备内置的存储器中。

8.根据权利要求7所述的一种I2C总线地址自动分配方法，其特征在于：在I2C总线通信过程中，主设备通过电平信号变化，检测是否有新的从设备连接至I2C总线；当有新的从设备连接时，主设备执行地址扫描算法，进行新增从设备的自动分配过程；当已连接的从设备需要从I2C总线中移除时，从设备向主设备发送移除请求信号；主设备将存储器中对应从设备的占用地址重新标记为空闲地址后，向从设备发送移除确认信号，从设备随后进行移除操作。