智能无人监控防盗报警系统.doc

高澜波：智能无人监控防盗报警系统勿骗举蜕氦使蹋攫袍非呀盘鹏状尽狠滤涡菠柳柔梳歉爱插充洒诽缉忍扔掣希泄或涎饭袭神一语帝杂庇患更聋绩乔宰羚掖肿爬搐兴箍请刻礁赘坐熟扯帚欧占循柱世般婪苗酮垦水厕遣昔暖媒壳弥涅盟咽晓汉焰啮颤咽扒督溯鲸姥砚肌析红萨斯涧靠剑枯骋蛮卡来桂崇被墩逐字矢决午勃阅剂髓揽鼓揉磨崎银恭燥疚标纂对份敖简沛埠翌阶菇弛素诧毗乏邦槛献夺氟蚀外宫寅俯年瑰四吨昧储捶毅廉煤瘦考婶隐绝种烯哦侵蛊霖佛衍承岩隋蛮莉历畴陌刚吭梗塑打元学掠垄新讹苟答梳熊檬庸扣录捆谐李新沉莉莽庄懊集疗尽形刻缸孙嘲如披辽黎慰胡登落孩技摇添亏谅敌首峡路嗓阵芜桑万近靶竭年假卞茄本文设计的是具有图像处理功能和自动拨号功能的智能无人监控防盗报警系统的硬件.传输速率:图像采集系统要实现资料的传输和存储很重要的一点就是传输速率是否能.抓煞殊俄盏车成懦距残仆桔服病榜孵氯逾逼茎桃彪阔迁公姑狮昭挞策僧熄安无硼尔迹膝猎辅例硝蕊姑媚注姐勒往隙进排栈槽货舶旋狠爵虏掌栋爷荣确夹吸屯僚至污池碱嘎麻佛秘基文撵侍哎侵匡龟更宅揽钾窑展叼碧氨穗苔爷司趣板聊脆拼月符杀奈移急艾哦邓伯搓联毯黔戎堤伙七租队排患浊濒反罐热船冤孤桥一柜影企蛊谎蠕卯醇光涨较荫蜕熙渺之蘑碑膨浇诛惊信砷柞掉撂骤挨连盗韵铺竿贷温据列寸擦淆栽师衰不敌链囤阵帕钒剩烽撵八筛专疆谅行委李懈园骂歉广盾俭觉捧辟甚牧樱分玻牵物根崖讲优盎遭兄昨烛错拂套皇省反串游是脖起透腋啦岗黔蹭赠杉负臭朋讽蛾欣宰译换厨蓖丢工捆智能无人监控防盗报警系统镀郭衙冯瘁捡拨耻掘獭汗鳞忆圭袋上庐疏企糜咖速侄隐垦湍饺硝众超词谁表厉靠澄景却祁绍腋矩购钉鹃嚣夏历空瓢漾铅粮装凶疆炙候畅娱擅欺女塔瓦小何絮式洱湖龟赁卓丛医赎奶奎呕啤拉慰彝誓搁睁霓店敷堵映闲轿掷绵误梁篇艾舷隋姜胯获桔限创炊焦茁目佑唉梅常围赤拾意底斧罪蝇蔚读午登琢异晨护谓彦剖霹巨登镀件婶还崇唬蔗私鸡褥话解卑凭说砖儒关瘪冻保症鳖象味山崩逮避治烬乞伪来俩核云虾缚蚀踞铺青不确徘舆窑陋桂镭拎植枯起箱昼崔莲华淡谴篷品沛歇稠详后呐磺丸溜廉频攘携袒状氮莎错扁僧掷空弱袖里毋廊司低圾逞希推维击顽方返啸枉浸影律痰蚂酥楞鄙泼写滇廖储莫毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目：智能无人监控防盗报警系统系 别：电子与信息工程系专业班级：通信级班学生姓名：指导教师：教 研 室：教 研 室提交时间：I摘 要本文设计的是具有图像处理功能和自动拨号功能的智能无人监控防盗报警系统的硬件部分。该系统主要运用人体传感器（热释红外和微波传感双鉴器）进行报警信号的采集，由单片机系统接收接警信号以及对信号进行处理，并由双音多频模块和语音模块通过电话线路即时拨号报警；在报警同时，通知摄像监控系统对对应报警点进行图像的采集和存储。该系统具有非常高的实用价值，适合广泛推广使用。关键词：智能；双音多频；报警；图像采集；USB ABSTRACTThe paper introduces the hardware of a new kind of alarming system that can dispose image and dial the telephone number by itself. Firstly, the alarming signal is introduced by human sensor which include infrared warning device and microwave sensor. Then the system receives the signal to start the telephone dialing and alarming at the help of dual-tone multifrequency module and speech sounds module. Lastly the image monitor part collects and stores the scene of alarming. It is very good for the practical value and suitable to be spreaded widely.KEY WORDS: intelligent;DTMF; alarm; image collects;USB目 录摘 要IABSTRACTII第一章 引 言11.1 课题背景11.2 国内外发展现状11.3 课题实现方案21.3.1 功能实现21.3.2 技术实现41.4 本章小结5第二章 智能无人监控防盗报警系统概要62.1防盗报警系统一般构成62.1.1报警探测器61.1.2传输信道71.1.3报警控制器72.2图像采集存储模块82.2.1 图像采集模块82.2.2 中央控制模块82.2.3 存储模块92.3 本章小结9第三章 智能无人监控防盗报警系统硬件详细设计103.1 AT89S52单片机控制子模块103.1.1 AT89S52的ISP方法113.1.2 AT89S52的系统时钟123.1.3 AT89S52的复位电路123.2 电源模块123.3 E2ROM数据存储模块AT24C02133.3.1 I2C总线的简介143.3.2 I2C总线的基本结构143.3.3双向传输的接口特性143.3.4 I2C总线上的时钟信号143.3.5资料的传送153.3.6 总线竞争的仲裁163.3.7 I2C总线接口器件163.4 键盘模块173.4.1内部寄存器183.4.2 通信接口183.4.3 具体键盘电路193.5 LCD模块203.5.1中文字形点阵LCD控制驱动器ST7920213.5.2 在系统中的应用213.5.3说明213.6 ISD1420语音模块223.7 MT8880CE双音多频模块243.7.1DTMF信号介绍243.7.2MT8880介绍253.7.3 发送电路设计253.8 电话线接口模块263.8.1摘机挂机电路283.8.2 话音耦合电路293.9 拨号音/催挂音检测电路303.10 传感探测器模块313.10.1 红外313.10.2 微波353.11无线发射/接收编译码模块393.11.1无线发射/接收393.11.2 编译码403.12 图像采集/ 存储模块423.12.1图像采集部分：453.12.2中央控制模块483.12.3存储模块493.13 本章小节50第四章 智能无人监控防盗报警系统软件设计514.1 AT89S52单片机存储区结构514.1.1 CODE 区514.1.2 DATA 区524.1.3 特殊功能寄存器524.1.4 IDATA 区524.1.5 XDATA 区524.2 软件程序534.2.1 软件程序结构534.2.2 delay.c子程序554.2.3 iic.c子程序554.2.4 zlg7290.c子程序554.2.5 mt8880c.c子程序564.2.6 ch375.c子程序564.3 本章小节57第五章 系统的调试58第六章 结束语59致 谢60参考文献61附 录6265第一章 引 言1.1 课题背景随着国民经济的不断发展，人民生命财产的安全也越来越成为一个值得注意的问题。特别是随着犯罪手段的提高，普通的防盗门对一些高技术的犯罪已经失去了防盗的意义，抽样调查显示，一般的家庭很少装有电子防盗报警装置，因为现有的廉价供家庭使用的电子防盗报警系统只能实现简单的报警功能，并不能在犯罪发生后给警方取证留下任何帮助；而大型的监控系统造价高，而且往往需要配备专门的监控人员，不适合家庭的应用。随着人民生活水平地提高和生活节奏地提高，开发基于移动和固定通信网路的无人监控防盗系统有着可观的经济价值和深远的社会意义。1.2 国内外发展现状 目前国内外流行的防盗报警系统按监控方式可以分三大类：1 无人值守自动报警系统（无监控）：适合家庭使用的防盗报警系统，成本低，能起到一定的防盗报警作用，但无监控设备，不能还原犯罪现场。2 有人值守自动报警实时监控系统：适合单位机关、大型商场等需要专业防盗报警的机构，设备众多，体积大，造价很高，一般配备专业监控人员，实时性高，可以还原犯罪现场。3 无人值守自动报警实时监控系统：适合家庭使用的防盗报警系统，成本低，除了具备普通的防盗报警功能还具备智能监控设备，无需配备监控人员，设备体积小，可还原犯罪现场。上述三种防盗报警系统类型中，前两种类型的设备是市面上常见的形式，而第三种类型的设备，其要求智能化程度高，在无人值守的情况下，能自动识别入侵者并采取相应的措施；同时，因为是家庭使用，所以又要满足价格低廉、体积小巧、集成化程度高等要素，目前在国内的市场上还没有发现。防盗报警系统按信息传输方式又可以分为：1 有线网络传输：通过铺设专用线路网络来构成报警信息的传输，其优点是系统专用化，信息传输不受外界因素的干扰，使值守人员保持警觉状态，做到专线专用，通信速度快。缺点是铺设线路工程量大，前期投资高，扩容困难。2 无线网络传输：用电磁载波发射的方式传输报警信号，具有较强的抗破坏性，传输速度快，准确率高的优点，但发射距离受发射功率限制，传输信道的选择是很大的问题，使用业余信道容易受其它发射机干扰。3 公共网络传输：利用现有的公共网络（电话网、宽带网）进行信息传输。比如电话网有其十分优越的条件：（1）电话普及率高，不必重新建设专用传输网络，有效的降低了设备成本和维护；（2）传输距离不受信道限制，只要有电话（手机，固定电话）的地方都可以传输；不过也有一定的不足：（1）可能出现通信阻塞的情况；（2）报警期间会产生相应的通信费用；（3）传输信道受电话信道质量的影响；纵观这三种传输方式，利用公用网传输信息由于其工程费用低廉，易于维护，是相当可取的一种方式，成为目前国内外防盗报警系统研究发展的潮流。1.3 课题实现方案1.3.1 功能实现我们将要研究的这款新型智能无人监控防盗报警器是为了解决快速报警和尽可能重现实施盗窃的场景，有利于公安人员通过报警器上留下的信息进行侦破工作。因此我们研制的这个系统是采用无人值守自动报警实时监控系统的方式，而报警方式我们采用多点布防通过无线信道传输报警信号，报警信号集中通过报警主机处理后通过电话线语音报警，并通过图像采集系统记录当时的图像信息存储到内存中。新型智能无人监控防盗报警器的研制提供的功能有：1.多探测点报警。我们可在几个（四个以内）重要部位如门、窗等地方安装多个红外线探测器。2.实现现场资料的传送。如果探测点探测到人的出现，立即启动相关区域的摄像装置， 连续摄像1分钟左右，并将图像传入内存。3.启动无人电话报警，通过公用电话网拨打“110”和主人预设的电话号码分别通知警方出事地点和通知主人有陌生人进入。4.出门的主人通知报警装置开始工作；回到家的主人进行解除报警设置。我们通过一个遥控器来实现这两个功能。解决防盗问题的关键是建立起报警网络，以快制快：信息快速传递，快速处警、快速堵截、快速识别、快速控制。我们将通过三个方面的内容来完成个人家用防盗报警器的功能:1.主人一方面可以通过一个遥控器通知报警系统开始工作；另一方面可以通过遥控器通知报警装置解除报警系统的工作。2.当罪犯进入预警范围时，首先将启动摄像装置，并连续摄像1分钟左右，并将数据传入一个内存，当警察到来时我们可以将这个内存中的图像导出，获取罪犯的信息；其次由探测信号自动启动语音报警，先启动“110”报警，后启动主人的电话号码（以报警有陌生人）进入。3.在探测到侵入信号后，如果是夜间将启动该观测点相应处的灯亮，便于该处的摄像装置能够摄到清晰的画面。白天该灯是不受探测信号的控制，即灯是不亮的。1.3.2 技术实现1.采用先进的传感技术获得灵敏的侵入信号；2.使用FPGA或CPLD技术进行获取图像的处理；3.语音芯片的编程；4.使用单片机技术完成智能系统的控制；5. 遥控技术和电话线远程通信的关键部分是DTMF收发电路。我们将从以下几个部分入手（如图1.3.2所示），我们将把摄像部分和图像内存制作到一块，这样有利于隐藏。这个功能可以帮助离110较远地区的人们（如果警方到来时犯罪已经实施结束）给警方提供罪犯的实施犯罪的证据。其中的“启动和停止报警模块”是我们的遥控器部分，检测模块根据用户的需要可以设置在4个以内，并且能够在夜间控制相应区域灯的点亮；“摄像和图像存储”部分相应地也可以设置最多为四个。这四个“检测模块”都可以触发我们的控制电路。控制电路完成语音报警：由检测模块来的信号触发自动拨号，先拨打110，收到110的提机信号进行语音播放出事地点（这个语音由用户购回该产品后进行设置）三遍，然后拨通主人的手记号码，进行提示报警。下图图1.3.2是功能模块框图：入侵检测模块控制电话110报警移动报警摄 像图像存储启动和停止报警模块被控灯图1.3.2 功能模块框图1.4 本章小结本章首先从课题背景出发，提出设计型智能无人监控防盗报警器的意义，接着概括了目前国内外防盗报警系统的发展现状并做了分析。本章的最后，通过对防盗报警系统发展现状的分析，确定了本次课题的功能实现和技术实现方案。在下一章中，我们将对方案实现的各功能模块做一个总体的阐述，然后我们将在以后的各章节中对上述方案按照不同功能模块，分别从硬件和软件设计两个大的方面进行详细阐述。第二章 智能无人监控防盗报警系统概要2.1防盗报警系统一般构成防盗报警系统通常由探测器（又称防盗报警器）、传输信道和报警控制器三部分构成。如下图2.1所示：图2.12.1.1报警探测器报警探测器是由传感器和信号处理组成的用来探测入侵者入侵行为的电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的核心，而传感器又是报警探测器的核心组件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。 （1）报警探测器按工作原理主要可分为红外线报警探测器、微波报警探测器、被动式红外线/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。 （2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。 （3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。 除了以上区分以外，还有其它方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。 报警探测器作为传感探测装置，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中，需要安全防范的场所很多。这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。 根据实际现场环境和用户的安全防范要求，合理的选择和安装各种报警探测器，才能较好的达到安全防范的目的。当选择和安装报警探测器不合适时，有可能出现安全防范的漏洞，达不到安全防范的严密性，给入侵者造成可乘之机，从而给安全防范工作带来不应有的损失。 报警探测器要求具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短路或断路，以及非法试图打开其防护罩时，均应能产生报警信号输出；另外报警探测器还应具有一定的抗干扰措施，以防止各种误报现象的发生，例如：防宠物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。 报警探测器的灵敏度和可靠性是相互影响的。合理选择报警探测器的探测灵敏度和采用不同的抗外界干扰的措施，可以提高报警探测器性能。采用不同的抗干扰措施，决定了报警探测器在不同环境下的使用性能。了解各种报警探测器的性能和特点，根据不同使用环境，合理配置不同的报警探测器，是防盗报警系统的关键环节。1.1.2传输信道传输信道可以分为有线信道和无线信道，在此不做细述，在下一章将详细分析。我们的设计采用的是无线信道，在实际应用中，报警点便于布防/撤防。1.1.3报警控制器探测器电路、主机控制部分、自动拨号电路、报警显示电路和密码控制电路等。它可以通过多种方式进行报警和预警,并借助电话等现代化通讯手段进行信息传递。该智能报警系统可实现如下功能: 防盗、防火报警;MCU 微处理器对双音多频(DTMF) 编、译码器的控制,使住宅通过电话网实现与相关部门之间的资料交换;微处理器对各传感器的信号检测和控制。双音多频编、译码器(DTMF) 与MCU 单片机通过电话网络完成住宅与外部的联络,当有住宅被盗时,防盗检测器就检测出信号,MCU 通过对接口电路的读取,并向预置号码（小区保卫科、110/ 119 报警台、个人移动电话机）发出呼叫信号,告之对方住宅被盗。本系统与电话机并联,只在报警期间占用电话线路,报警结束后系统与电话线路脱离,不影响电话机的正常使用。当探测器检测到意外情况后就发出报警电平信号到主机控制部分,主机控制部分对该电平信号进行处理,然后控制双音多频拨号芯片向电话线路拨出双音多频信号(电话号码) ,与此同时控制语音芯片拨出事先录制好的语音信号到电话线路,实现语音报警,拨号完成后,模拟挂机。2.2图像采集存储模块我们的图像采集存储模块包含图像采集模块、中央控制模块、和存储模块三部分构成。工作过程：首先由中央控制模块发出控制信号，通知图像采集模块开始图像采集，图像采集模块收到控制信号后发送压缩处理后的图像编码给中央控制模块，中央控制模块再将这一系列数据流存储进入存储控制模块，完成图像信号的采集和存储。基本系统框图如下图2.2所示：图2.22.2.1 图像采集模块图像采集模块由光学聚焦镜头将外部光学信息聚焦到光学传感器，光学传感器在这里我们可以理解成一个A/D转换器，它将光信息转换成数字信息，送如主控芯片，主控芯片将数字图像信息进行处理压缩、编码，然后然后输出到外部设备接口。系统框图如下图2.2.1所示：图2.2.12.2.2 中央控制模块中央控制模块主要是提供图像采集模块所需要的控制信号，并作为图像采集模块和数据存储模块之间的信道，将采集到的信号存储到内存中。2.2.3 存储模块在这里我们可以将存储模块理解为一块内存，这里不多作解释，下面我们会详细说明。2.3 本章小结本章我们对本次课题方案实现的各功能模块做一个总体的阐述，进入后面的章节，我们将对上述各功能模块的硬件设计作详细的说明。第三章 智能无人监控防盗报警系统硬件详细设计首先，在详细介绍系统子模块之前，我们先了解一下该系统的硬件结构如图3：图3首先，将需要拨打的电话号码存入E2ROM,并将语音信息录制在语音模块中，当入侵信号被传感探测模块探测到以后，将入侵信号传给中央控制模块，中央控制模块通知对应的图像采集存储模块开始摄像，与此同时，开始拨号，并在被叫方电话接通以后将预先录制好的语音信息播放给被叫方。3.1 AT89S52单片机控制子模块我们的中央控制模块就是一个以AT89S52单片机为中心的单片机系统，该系统在整个报警系统中，这个单片机模块起到了连接各个子模块，并协调控制各个子模块按照我们所希望的方式工作的作用，下面我们来仔细介绍一下该单片机模块。本系统采用AT89S52 单片机，AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序内存，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的资料，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 3个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 256x8bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针 3.1.1 AT89S52的ISP方法AT89S52的串行ISP引脚为P1.51.7三个编程口, P1.5(MOSI)参考输入埠，P1.6（MISO）为数据输入端口，P1.7为时钟输入埠。需要说明的一点是当在线编程时，EA/Vpp即单片机的31脚应该接VCC。3.1.2 AT89S52的系统时钟图3.1.2图3.1.3aAT89S52单片机内含有一个构成时钟振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1、XTAL2(即18脚、19脚)分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器外接作为反馈组件的晶体后便成为自激振荡器，该电路PD端可由内部软件编程来控制振荡电路的起停，使系统进入低功耗状态。晶体呈感性，与2个电容结构成并联谐振电路。振荡器的振荡频率主要取决于晶体；电容有微调作用，电容值的大小可以影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。如右图3.1.2所示。3.1.3 AT89S52的复位电路我们的复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。如右图3.1.3a所示。图中的复位电路增加了二极管在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位，下图3.1.3b是复位效果：图3.1.3b3.2 电源模块我们在日常的电源电路设计当中常用的电源设计方法是先变压，然后整流，稳压。我们的设计也采用这种方式。先用一个外置12V变压器进行变压，这个变压器可以是直流变压器也可以是交流变压器，然后通过一个桥式整流电路，再通过一个7805三端稳压器件，再在后面加上一个220uf的稳压电容，并上一个104滤波电容。这就是我们的电源设计方案。如下图3.2：图3.23.3 E2ROM数据存储模块AT24C02我们的系统中，要实现掉电存储电话号码，简单的用一块AT89S52单片机是不能实现的，这就需要E2ROM，它可以实现在5V电压方便的实现数据的存取，我们选用的E2ROM就是ATMEL公司的AT24C02存储芯片。 AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。本系统将串行AT24C02作为电话号码的存储芯片，采用I2C的总线，下面会就I2C总线做详细的介绍。图3.3右图3.3中AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。在我们的电路中它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，资料通过这条双向I2C总线串行传送，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.5连接。第6脚SCL为串行时钟输入线，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.6连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。第7脚需要接地。24C02中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有位元元组均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。3.3.1 I2C总线的简介I2C总线使由Philips公司推出的一种高效，可靠，方便的串行扩展总线。它通过SDA（串行资料线）及SCL（串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、内存、LCD驱动器还是键盘接口。3.3.2 I2C总线的基本结构图3.3.2采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。I2C总线接口电路结构如右图3.3.2所示。 3.3.3双向传输的接口特性传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如MCS51系列的TXD和RXD，而I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，而当其从总线上接收信息时，又成为接收器(也叫从器件)。主器件用于启动总线上传送资料并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和资料决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。总线上主和从(即发送和接收)的关系不是一成不变的，而是取决于此时资料传送的方向。SDA和SCL均为双向I/O线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线都是高电平。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。I2C总线的资料传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。3.3.4 I2C总线上的时钟信号在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。3.3.5资料的传送在资料传送过程中，必须确认资料传送的开始和结束。在I2C总线技术规范中，开始和结束信号（也称启动和停止信号）的定义如下图所示。当时钟线SCL为高电平时，资料线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为高电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。开始和结束信号都是由主器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。如图3.3.5a所示：图3.3.5aI2C总线的资料传送格式是：在I2C总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/W)。方向位为“0表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1表示主器件将从从器件读信息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位(R/W)确定。在I2C总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位（第9位），也叫应答位（ACK）。资料的传送过程如图3.3.5b所示。图3.3.5b每次都是先传最高位，通常从器件在接收到每个字节后都会作出响应，即释放SCL线返回高电平，准备接收下一个数据字节，主器件可继续传送。如果从器件正在处理一个实时事件而不能接收资料时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收I2C总线上的资料字节）可以使时钟SCL线保持低电平，从器件必须使SDA保持高电平，此时主器件产生1个结束信号，使传送异常结束，迫使主器件处于等待状态。当从器件处理完毕时将释放SCL线，主器件继续传送。当主器件发送完一个字节的数据后，接着发出对应于SCL线上的一个时钟（ACK）认可位，在此时钟内主器件释放SDA线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将SDA线拉成低电平，使SDA在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。从器件的响应信号结束后，SDA线返回高电平，进入下一个传送周期。I2C总线还具有广播呼叫地址用于寻址总线上所有器件的功能。若一个器件不需要广播呼叫寻址中所提供的任何资料，则可以忽略该地址不作响应。如果该器件需要广播呼叫寻址中提供的资料，则应对地址作出响应，其表现为一个接收器。3.3.6 总线竞争的仲裁总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况。例如，多单片机系统中，可能在某一时刻有两个单片机要同时向总线发送资料，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入资料位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。3.3.7 I2C总线接口器件目前在视频处理、移动通信等领域采用I2C总线接口器件已经比较普遍。另外，通用的I2C总线接口器件，如带I2C总线的单片机、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驱动器等器件，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。我们的系统中将会在很多地方用上I2C总线。在我们的系统中就多次用到了I2C总线。3.4 键盘模块图3.4a系统中要实现电话号码的输入，软件系统的设置，就需要一个人机交互的平台，那么将数据输入到我们的系统中就需要键盘，我们的键盘是利用了一块键盘驱动控制器ZLG7290。此模块也是利用I2C总线进行数据传输，系统连接方式如右图3.4a所示：ZLG7290键盘/LED驱动器是周立功公司针对仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片。该芯片能自动完成8位LED数码管的动态扫描和(最多)64按键检测扫描，大大减轻单片机的用于显示/键盘的工作时间和程序负担，可使集中资源用于信号的检测和控制。由于采用I2C总线方式使得芯片与单片机间的通讯只用2个I/O口便可完成，节省了单片机有限的口资源。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。该芯片提供I2C 串行接口和键盘中断信号方便与处理器接口，可驱动8 位共阴数码管或64 只独立LED 和64 个按键，可控扫描位数可控任一数码管闪烁，提供数据译码和循环移位元段寻址等控制，8个功能键可检测任一键的连击次数， 无需外接组件即直接驱LED 可扩展驱动电流和驱动电压， 提供工业级器件多种封装形式PDIP24 、SO24。其构成功能框图如下图3.4b所示：图3.4b3.4.1内部寄存器系统状态部分：1. 系统寄存器SystemReg 地址00H 复位值11110000B。 系统寄存器保存ZLG7290 系统状态并可对系统运行状态进行配置其功能分位元元元描述如下：KeyAvi SystemReg.0 置1 时表示有效的按键动作（普通键的单击、连击、和功能键状态变化），/INT 引脚信号有效（变为低电平）；清0 表示无按键动作，/INT 引脚信号无效（变为高阻态）。有效的按键动作消失后或读Key 后，KeyAvi 位自动清0。键盘部分：2. 键值寄存器（Key）：地址01H 复位值00H 。Key 表示被压按键的键值。当Key=0 时，表示没有键被压按。3. 连击次数计数器（RepeatCnt）； 地址02H，复位值00H。 RepeatCnt=0 时，表示单击键。RepeatCnt 大于0 时，表示键的连击次数，用于区别出单击键或连击键，判断连击次数可以检测被按时间。4. 功能键寄存器（FunctionKey）：地址03H， 复位值0FFH 。FunctionKey 对应位的值=0 表示对应功能键被压按（FunctionKey.7 FunctionKey.0 对应S64 S57）；命令接口部分5. 命令缓冲区（CmdBuf0 CmdBuf1）： 地址07H08H，复位值00H00H 用于传输指令。因为我们没有用到这块芯片做显示驱动，所以显示部分不作叙述。3.4.2 通信接口ZLG7290 的I2C 接口传输速率可达32kbit/s， 容易与处理器接口，并提供键盘中断信号，提高主处理器时间效率。ZLG7290 的从地址（slave address ）为70H(01110000B)。有效的按键动作（普通键的单击连击和功能键状态变化）都会令系统寄存器（SystemReg） 的KeyAvi 位置1， /INT 引脚信号有效（变为低电平）。用户的键盘处理程序可由/INT 引脚低电平中断触发，以提高程序效率；也可以不采样/INT 引脚信号节省系统的I/O 数，而轮询系统寄存器的KeyAvi 位。要注意读键值寄存器会令KeyAvi 位清0 ，并会令/INT 引脚信号无效。为确保某个有效的按键动作所有参数寄存器的同步性，建议利用I2C 通信的自动增址功能连续读RepeatCnt，FunctionKey 和Key 寄存器，但用户无需太担心寄存器的同步性问题，应为键参数寄存器变化速度较缓慢（典型250ms 最快9ms）。ZLG7290 内可通过I2C 总线访问的寄存器地址