0 引言

    SMBus協議是Intel公司（聯合其他公司）在PC-I2C基礎上研發出來的系統管理總線協議。最初是為智能電池、充電電池和與其他系統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備，包括電源相關設備、系統傳感器、EEPROM通信設備等。其被廣泛用于筆記本電腦上，檢測各元件狀態并更新硬件設置引腳。它為系統和電源管理這樣的任務提供了一條控制總線，使用SMBus總線的系統，設備之間發送和接收消息都是通過SMBus總線，而不是使用單獨的控制線，這樣可以節省設備的管腳數。隨后，Intel公司聯合其他公司在此基礎上創建了智能電池管理標準，SMBus成為在智能電池及低速率管理設備上被廣泛采用的協議標準。

1 SMBus協議分析

    SMBus由兩根總線，即串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）構成^[2]，主要用于主從系統。由于 SMBus是雙向通信，因此在設計電路時兩條線上都需要外接上拉電阻，數據可以在總線空閑時間進行傳輸。

1.1 SMBus啟動和停止條件

    在總線處于空閑狀態時，SMBus總線上的SCL和SDA都被上拉電阻拉至高電平。此時，當SDA由高電平變為低電平，總線啟動SMBus協議傳輸。啟動條件產生后，總線就被視為忙的狀態； 當SCL為高電平時，SDA由低電平變為高電平，SMBus傳輸停止^[3]，停止條件發生一段時間后，總線再次被視為空閑狀態。啟動條件和停止條件總是由主設備產生，圖1為模擬SMBus協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 數據的有效性

    SDA線上的數據必須在時鐘的高電平周期保持穩定，數據線上的電平只有在SCL線為低電平時才可以改變^[3]。圖2為SMBus協議數據有效性的圖示。

1.3 SMBus數據傳輸

    圖3是SMBus數據傳輸協議時序圖，當SMBus啟動信號產生后，數據以串行方式進行傳輸，每次傳輸以8 bit(1 B)為一組，每次可發送的字節數不受限制，但是每個字節后必須跟一個響應位。數據以高字節在前、低字節在后的順序傳輸，第9位為應答位^[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送狀態，構成了4種工作模式，即主發送、主接收、從發收、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 硬件實驗環境

2.1 主機系統實現

    主機系統采用了以MSP430F149處理器為核心的開發板，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備中。開發板上擁有較豐富的外設資源，同時集成了RS232模塊，可以將測得的數據信息等通過串口實時發送到上位機中，查看驗證結果。

2.2 智能電池

    目前大部分智能電池對外接口都遵循SMBus協議標準，本設計采用的智能電池是一塊由4節鋰電池組成的智能電池組，采用德州儀器的BQ3060電源管理芯片進行電池管理。BQ3060芯片可以對最多4節電池構成的電池組進行管理，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，總線上的其他設備充當從機。當啟動傳輸協議時，MSP430可以通過SMBus總線獲得4節鋰電池的相關信息。

3 SMBus協議軟件實現

3.1 SMBus啟動

    在初始時刻，總線處于空閑狀態，數據線和時鐘線都被拉高，此時拉低數據線，SMBus啟動。下面是模擬SMBus協議的啟動代碼：

    void SMBus_Start()

    {

        SDA=1; delay(); //數據位置1

        SCL=1; delay(); //時鐘位置1

        SDA=0; delay(); //數據位置0，啟動

        SCL=0; delay(); //時鐘位置0

    }

3.2 SMBus停止

    在時鐘線為高時，當數據線被拉高，SMBus停止。以下是模擬SMBus協議停止代碼：

    void SMBus_Stop()

    {

        SDA=0;delay(); //數據位置

        SCL=1;delay(); //時鐘位置1

        SDA=1;delay(); //數據位置1，停止

    }

3.3 SMBus檢測應答

    在數據傳輸的第9個時鐘，主機需要檢測總線上SDA的電平是否被拉低，如果規定的時鐘周期內未檢測到低電平，視為無應答，說明傳輸失敗；如果檢測到低電平，說明從機成功接收到數據，可以繼續下一步傳輸。代碼如下：

    bit SMBus_CheckAck()

    {

        unsigned char i;

        SCL = 1;delay();

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

            i++; //數據位置1

        SCL = 0;delay();

        if(255 != i) //超時檢測

            return 0;

        else

            return 1;

    }

3.4 SMBus發送應答

    當主機接收完從機發來的8 bit數據后，需要在第9個時鐘周期內做出應答，并且告訴從機是否繼續通信。如果繼續通信，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

    從SMBus總線上讀取字節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數據

        {

            SCL = 1;delay();

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

            SCL = 0;delay();

        }

           return k; //返回字節

    }

3.6 SMBus寫入字節

    向SMBus總線上寫入字節時從高位到低位依次寫入，寫入完一個字節后將數據總線拉高。

    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()：//拉高數據線，為等待應答做準備

    }

3.7 SMBus通信協議幀

    使用SMBus協議對設備信息進行讀取時有統一的標準要求，圖5是SMBus設備間通信協議幀結構圖。最先傳輸的是啟動條件S，隨后發送第一幀數據，由7位設備地址DevAdd、1位寫標志W和1位應答Ack構成。第二幀由8位設備內的寄存器地址RegAdd和1位應答Ack構成，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備向總線上寫信息，告訴了總線要寫入的設備地址，以及要獲得設備中哪個寄存器的內容。接下來要再次發送啟動信號S進行一次重啟。第三幀數據由7位設備地址DevAdd、1位讀標志位R、1位應答Ack構成；第四幀由8位數據Data1和1位應答Ack構成；第五幀也由8位數據Data2和1位應答Ack構成。其中第三幀數據告訴了總線要對哪個設備進行讀取操作，第四幀和第五幀則由主機從總線上兩次讀取數據，得到Data1和Data2，這兩個字節分別為讀取值的高8位和低8位。最后是一位停止信號P。

    將協議中包含的數據幀按照圖5格式進行打包，統一寫成函數以方便應用。代碼如下：

    unsigned int SMBus_ReadAdd(unsigned char addr)

    {

        unsigned char data;

        SMBus_Start();//啟動協議

        SMBus_WriteByte(DEV_ADDW);//設備地址

        SMBus_CheckAck();//等待應答

        SMBus_WriteByte(addr);//Reg地址

        SMBus_CheckAck();//等待應答

        SMBus_Start();//再次啟動

        SMBus_WriteByte(DEV_ADDR);//設備地址

        SMBus_CheckAck();//等待應答

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

        SMBus_SendAck(0);//發送應答

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

        SMBus_SendAck(1);//發送應答

        SMBus_Stop();//停止讀取

        return data;//返回數據

    }

3.8 主程序設計

    主程序中最先要通過SMBus總線向智能電池發送命令，對BQ3060芯片進行初始化配置，然后調用SMBus_ReadAdd函數即可獲得電池相關信息，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，電量狀態范圍為0～100%，為防止數據出錯，要對有效位進行選取，同時讀取數據后一定要進行延時操作，否則讀數結果會出現錯誤。

4 設計結果與分析

    IAR EW for MSP430是IAR公司為TI公司的MSP430系列處理器開發的一款集成開發環境，可對工程進行有效管理、編譯、鏈接后生成目標文件，并結合MSP專門的USB燒錄器進行程序下載。

    通過MSP430F149開發板自帶的RS232模塊與筆記本USB口相連，MSP430將監測到的電池信息通過Uart0口發送到串口助手，最開始測得的所有數值都存在錯誤，通過對程序進行分析，發現在使用SMBus進行讀取數據時沒有設置一定的延時等待，加上延時函數后結果正常，但依然錯誤率很高。在查閱了BQ3060數據手冊后才發現電壓的有效值是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，與系統的15 943 mV一致，室內空調顯示溫度為26 ℃，考慮到電池使用過程會發熱，因此溫度會比室溫高一些。通過檢測出來的數據可以看出，用SMBus協議可以很方便地對智能電池信息進行監測，同時不需要處理器親自去檢測電池的各種信息，節省了處理器的時鐘，可以使處理器更多的時間用在算法、控制等處理上。

5 小結

    本文實現了一個使用SMBus協議對電池信息進行實時監測的系統，系統準確監測到電池電壓、電量、溫度等重要信息。在實際應用中，可以根據需要對電池的其他信息進行監測，相關寄存器地址可以參考TI公司數據手冊。雖然使用以BQ3060為管理芯片的智能電池作為實驗平臺，但是系統適合于對所有使用SMBus協議的智能電池進行監測，TI公司BQ系列電源管理芯片基本都支持SMBus協議，只需對設備地址、寄存器地址做相應改變就可達到通用的目的。

參考文獻

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

[2] 陳濤，萬亞坤．基于智能電池系統的SMBus總線研究及IP設計[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的實現[J]．北京聯合大學學報，2012，26（4）：15.

[4] 郝建國．MSP430微控制器基礎和應用[M]．北京：電子工業出版社，2014.