0 引言

    SMBus協(xié)議是Intel公司（聯(lián)合其他公司）在PC-I2C基礎(chǔ)上研發(fā)出來的系統(tǒng)管理總線協(xié)議。最初是為智能電池、充電電池和與其他系統(tǒng)通信的微控制器之間的通信鏈路而定義的^[1]，后來也被用來連接各種設(shè)備，包括電源相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)傳感器、EEPROM通信設(shè)備等。其被廣泛用于筆記本電腦上，檢測各元件狀態(tài)并更新硬件設(shè)置引腳。它為系統(tǒng)和電源管理這樣的任務(wù)提供了一條控制總線，使用SMBus總線的系統(tǒng)，設(shè)備之間發(fā)送和接收消息都是通過SMBus總線，而不是使用單獨的控制線，這樣可以節(jié)省設(shè)備的管腳數(shù)。隨后，Intel公司聯(lián)合其他公司在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建了智能電池管理標(biāo)準(zhǔn)，SMBus成為在智能電池及低速率管理設(shè)備上被廣泛采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

1 SMBus協(xié)議分析

    SMBus由兩根總線，即串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）構(gòu)成^[2]，主要用于主從系統(tǒng)。由于 SMBus是雙向通信，因此在設(shè)計電路時兩條線上都需要外接上拉電阻，數(shù)據(jù)可以在總線空閑時間進(jìn)行傳輸。

1.1 SMBus啟動和停止條件

    在總線處于空閑狀態(tài)時，SMBus總線上的SCL和SDA都被上拉電阻拉至高電平。此時，當(dāng)SDA由高電平變?yōu)榈碗娖?，總線啟動SMBus協(xié)議傳輸。啟動條件產(chǎn)生后，總線就被視為忙的狀態(tài)； 當(dāng)SCL為高電平時，SDA由低電平變?yōu)楦唠娖剑琒MBus傳輸停止^[3]，停止條件發(fā)生一段時間后，總線再次被視為空閑狀態(tài)。啟動條件和停止條件總是由主設(shè)備產(chǎn)生，圖1為模擬SMBus協(xié)議啟動和停止的時序圖，S表示啟動條件，P表示停止條件。

1.2 數(shù)據(jù)的有效性

    SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘的高電平周期保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)線上的電平只有在SCL線為低電平時才可以改變^[3]。圖2為SMBus協(xié)議數(shù)據(jù)有效性的圖示。

1.3 SMBus數(shù)據(jù)傳輸

    圖3是SMBus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議時序圖，當(dāng)SMBus啟動信號產(chǎn)生后，數(shù)據(jù)以串行方式進(jìn)行傳輸，每次傳輸以8 bit(1 B)為一組，每次可發(fā)送的字節(jié)數(shù)不受限制，但是每個字節(jié)后必須跟一個響應(yīng)位。數(shù)據(jù)以高字節(jié)在前、低字節(jié)在后的順序傳輸，第9位為應(yīng)答位^[2]。

    總線上的所有器件都有一個唯一地址，并且都可以工作在接收或發(fā)送狀態(tài)，構(gòu)成了4種工作模式，即主發(fā)送、主接收、從發(fā)收、從接收^[3]。SMBus總線還具有仲裁功能，保證同一時刻只有一個器件在控制總線。

2 硬件實驗環(huán)境

2.1 主機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)

    主機(jī)系統(tǒng)采用了以MSP430F149處理器為核心的開發(fā)板，MSP430是德州儀器公司推出的一款16位、具有超低功耗芯片及精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）^[4]，被廣泛用于智能便攜電子設(shè)備中。開發(fā)板上擁有較豐富的外設(shè)資源，同時集成了RS232模塊，可以將測得的數(shù)據(jù)信息等通過串口實時發(fā)送到上位機(jī)中，查看驗證結(jié)果。

2.2 智能電池

    目前大部分智能電池對外接口都遵循SMBus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計采用的智能電池是一塊由4節(jié)鋰電池組成的智能電池組，采用德州儀器的BQ3060電源管理芯片進(jìn)行電池管理。BQ3060芯片可以對最多4節(jié)電池構(gòu)成的電池組進(jìn)行管理，將普通電池組變成智能電池，并通過SMBus總線接口與處理器通信。

    將MSP430處理器與智能電池以及其他外圍器件同時掛載到接有上拉電阻的SMBus總線上，如圖4所示。MSP430處理器為主機(jī)，總線上的其他設(shè)備充當(dāng)從機(jī)。當(dāng)啟動傳輸協(xié)議時，MSP430可以通過SMBus總線獲得4節(jié)鋰電池的相關(guān)信息。

3 SMBus協(xié)議軟件實現(xiàn)

3.1 SMBus啟動

    在初始時刻，總線處于空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)線和時鐘線都被拉高，此時拉低數(shù)據(jù)線，SMBus啟動。下面是模擬SMBus協(xié)議的啟動代碼：

    void SMBus_Start()

    {

        SDA=1; delay(); //數(shù)據(jù)位置1

        SCL=1; delay(); //時鐘位置1

        SDA=0; delay(); //數(shù)據(jù)位置0，啟動

        SCL=0; delay(); //時鐘位置0

    }

3.2 SMBus停止

    在時鐘線為高時，當(dāng)數(shù)據(jù)線被拉高，SMBus停止。以下是模擬SMBus協(xié)議停止代碼：

    void SMBus_Stop()

    {

        SDA=0;delay(); //數(shù)據(jù)位置

        SCL=1;delay(); //時鐘位置1

        SDA=1;delay(); //數(shù)據(jù)位置1，停止

    }

3.3 SMBus檢測應(yīng)答

    在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡?個時鐘，主機(jī)需要檢測總線上SDA的電平是否被拉低，如果規(guī)定的時鐘周期內(nèi)未檢測到低電平，視為無應(yīng)答，說明傳輸失??；如果檢測到低電平，說明從機(jī)成功接收到數(shù)據(jù)，可以繼續(xù)下一步傳輸。代碼如下：

    bit SMBus_CheckAck()

    {

        unsigned char i;

        SCL = 1;delay();

        while((SDA)&&(i<256)) //檢測有無應(yīng)答

            i++; //數(shù)據(jù)位置1

        SCL = 0;delay();

        if(255 != i) //超時檢測

            return 0;

        else

            return 1;

    }

3.4 SMBus發(fā)送應(yīng)答

    當(dāng)主機(jī)接收完從機(jī)發(fā)來的8 bit數(shù)據(jù)后，需要在第9個時鐘周期內(nèi)做出應(yīng)答，并且告訴從機(jī)是否繼續(xù)通信。如果繼續(xù)通信，則拉低SDA電平；如果希望終止通信，則拉高SDA上的電平。代碼如下：

    void SMBus_SendAck(bit n)

    {

        unsigned char i;

        if(n) SDA = 1;

        else  SDA = 0;

        SCL = 1;delay();

        SCL = 0;

    }

3.5 SMBus讀取字節(jié)

    從SMBus總線上讀取字節(jié)按照從高位到低位的順序逐位讀取，編程時在時鐘為高時讀取到的值保存到變量中并返回。

    unsigned SMBus_ReadByte()

    {

        unsigned char i,k=0;

        for( i = 0;i < 8;i++ ) //讀8 bit數(shù)據(jù)

        {

            SCL = 1;delay();

            k = (k << 1) | SDA; //按位讀取

            SCL = 0;delay();

        }

           return k; //返回字節(jié)

    }

3.6 SMBus寫入字節(jié)

    向SMBus總線上寫入字節(jié)時從高位到低位依次寫入，寫入完一個字節(jié)后將數(shù)據(jù)總線拉高。

    void SMBus_WriteByte(unsigned char data)

    {

        unsigned char i;

        temp = data;

        for(i=0;i<8;i++)            //按位寫入

        {

            SCL = 0;delay();

            if((data<<i)&&0x80)

                SDA = 1;

            else

                SDA = 0;delay();

            SCL = 1;delay();

        }

        SCL=0；delay()；

        SDA=1；delay()：//拉高數(shù)據(jù)線，為等待應(yīng)答做準(zhǔn)備

    }

3.7 SMBus通信協(xié)議幀

    使用SMBus協(xié)議對設(shè)備信息進(jìn)行讀取時有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求，圖5是SMBus設(shè)備間通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)圖。最先傳輸?shù)氖菃訔l件S，隨后發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)，由7位設(shè)備地址DevAdd、1位寫標(biāo)志W(wǎng)和1位應(yīng)答Ack構(gòu)成。第二幀由8位設(shè)備內(nèi)的寄存器地址RegAdd和1位應(yīng)答Ack構(gòu)成，如要讀取電池的溫度，RegAdd則為溫度寄存器。其中前兩幀都是主設(shè)備向總線上寫信息，告訴了總線要寫入的設(shè)備地址，以及要獲得設(shè)備中哪個寄存器的內(nèi)容。接下來要再次發(fā)送啟動信號S進(jìn)行一次重啟。第三幀數(shù)據(jù)由7位設(shè)備地址DevAdd、1位讀標(biāo)志位R、1位應(yīng)答Ack構(gòu)成；第四幀由8位數(shù)據(jù)Data1和1位應(yīng)答Ack構(gòu)成；第五幀也由8位數(shù)據(jù)Data2和1位應(yīng)答Ack構(gòu)成。其中第三幀數(shù)據(jù)告訴了總線要對哪個設(shè)備進(jìn)行讀取操作，第四幀和第五幀則由主機(jī)從總線上兩次讀取數(shù)據(jù)，得到Data1和Data2，這兩個字節(jié)分別為讀取值的高8位和低8位。最后是一位停止信號P。

    將協(xié)議中包含的數(shù)據(jù)幀按照圖5格式進(jìn)行打包，統(tǒng)一寫成函數(shù)以方便應(yīng)用。代碼如下：

    unsigned int SMBus_ReadAdd(unsigned char addr)

    {

        unsigned char data;

        SMBus_Start();//啟動協(xié)議

        SMBus_WriteByte(DEV_ADDW);//設(shè)備地址

        SMBus_CheckAck();//等待應(yīng)答

        SMBus_WriteByte(addr);//Reg地址

        SMBus_CheckAck();//等待應(yīng)答

        SMBus_Start();//再次啟動

        SMBus_WriteByte(DEV_ADDR);//設(shè)備地址

        SMBus_CheckAck();//等待應(yīng)答

        data = SMBus_ReadByte();//讀取低字節(jié)

        SMBus_SendAck(0);//發(fā)送應(yīng)答

        data+=SMBus_ReadByte()<<8;//讀取高字節(jié)

        SMBus_SendAck(1);//發(fā)送應(yīng)答

        SMBus_Stop();//停止讀取

        return data;//返回數(shù)據(jù)

    }

3.8 主程序設(shè)計

    主程序中最先要通過SMBus總線向智能電池發(fā)送命令，對BQ3060芯片進(jìn)行初始化配置，然后調(diào)用SMBus_ReadAdd函數(shù)即可獲得電池相關(guān)信息，如電池電壓和相對電量Reg地址分別為0x09、0x0d，其他寄存器請參考芯片手冊。調(diào)用方法如下：

    void main()

    {

        Init_Config();//初始化

        Voltage =SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF;

        delay_ms();//讀取后要延遲一段時間

        PowerState=SMBus_ReadAdd(0x0d)&0x7F;

        delay_ms();

        UartSend()；//從串口輸出

    ｝

    讀取字節(jié)時，SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF和SMBus_ReadAdd(0x0d)&0x7F因為電壓返回值范圍是0～20 000 mV，電量狀態(tài)范圍為0～100%，為防止數(shù)據(jù)出錯，要對有效位進(jìn)行選取，同時讀取數(shù)據(jù)后一定要進(jìn)行延時操作，否則讀數(shù)結(jié)果會出現(xiàn)錯誤。

4 設(shè)計結(jié)果與分析

    IAR EW for MSP430是IAR公司為TI公司的MSP430系列處理器開發(fā)的一款集成開發(fā)環(huán)境，可對工程進(jìn)行有效管理、編譯、鏈接后生成目標(biāo)文件，并結(jié)合MSP專門的USB燒錄器進(jìn)行程序下載。

    通過MSP430F149開發(fā)板自帶的RS232模塊與筆記本USB口相連，MSP430將監(jiān)測到的電池信息通過Uart0口發(fā)送到串口助手，最開始測得的所有數(shù)值都存在錯誤，通過對程序進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在使用SMBus進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)時沒有設(shè)置一定的延時等待，加上延時函數(shù)后結(jié)果正常，但依然錯誤率很高。在查閱了BQ3060數(shù)據(jù)手冊后才發(fā)現(xiàn)電壓的有效值是0～20 000 mV，電量的有效值是0～100%，每次需要對讀到的值進(jìn)行有效位的提取，如SMBus_ReadAdd(0x09)&0x7FFF和SMBus_ReadAdd(0x0d)&0x7F語句處理后，輸出結(jié)果正確，如圖6。

    用電壓表測電池兩端的電壓為15.9 V，與系統(tǒng)的15 943 mV一致，室內(nèi)空調(diào)顯示溫度為26 ℃，考慮到電池使用過程會發(fā)熱，因此溫度會比室溫高一些。通過檢測出來的數(shù)據(jù)可以看出，用SMBus協(xié)議可以很方便地對智能電池信息進(jìn)行監(jiān)測，同時不需要處理器親自去檢測電池的各種信息，節(jié)省了處理器的時鐘，可以使處理器更多的時間用在算法、控制等處理上。

5 小結(jié)

    本文實現(xiàn)了一個使用SMBus協(xié)議對電池信息進(jìn)行實時監(jiān)測的系統(tǒng)，系統(tǒng)準(zhǔn)確監(jiān)測到電池電壓、電量、溫度等重要信息。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要對電池的其他信息進(jìn)行監(jiān)測，相關(guān)寄存器地址可以參考TI公司數(shù)據(jù)手冊。雖然使用以BQ3060為管理芯片的智能電池作為實驗平臺，但是系統(tǒng)適合于對所有使用SMBus協(xié)議的智能電池進(jìn)行監(jiān)測，TI公司BQ系列電源管理芯片基本都支持SMBus協(xié)議，只需對設(shè)備地址、寄存器地址做相應(yīng)改變就可達(dá)到通用的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 路鐵生．系統(tǒng)管理總線（SMBus）與智能充電[J]．電源世界，2011(8)：36-39.

[2] 陳濤，萬亞坤．基于智能電池系統(tǒng)的SMBus總線研究及IP設(shè)計[J]．中國集成電路．2008(11)：48-51.

[3] 吳珍毅．基于SMBus的智能鋰動力電池總線系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]．北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2012，26（4）：15.

[4] 郝建國．MSP430微控制器基礎(chǔ)和應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2014.