詳解IIC總線應(yīng)用規(guī)范

1、0、IIC流程圖1、定義：I2C，一種總線結(jié)構(gòu)。 IIC 是作為英特爾IC 的互補(bǔ)，這種總線類型是由菲利浦半導(dǎo)體公司在八十年代初設(shè)計(jì)出來的，主要是用來連接整體電路(ICS) ，IIC是一種多向控制總線，也就是說多個芯片可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時每個芯片都可以作為實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃?。這種方式簡化了信號傳輸總線。例如：內(nèi)存中的SPD信息,通過IIC，與BX芯片組聯(lián)系，IIC 存在于英特爾PIIX4結(jié)構(gòu)體系中。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，把CPU和一個單獨(dú)工作系統(tǒng)所必需的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外圍電路集成在一個單片內(nèi)而制成的單片機(jī)或微控制器愈來愈方便。目前，世界上許多

2、公司生產(chǎn)單片機(jī)，品種很多。其中包括各種字長的CPU，各種容量的ROM、RAM以及功能各異的I/O接口電路等等，但是，單片機(jī)的品種規(guī)格仍然有限，所以只能選用某種單片機(jī)來進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展的方法有兩種：一種是并行總線，另一種是串行總線。由于串行總線的連線少，結(jié)構(gòu)簡單，往往不用專門的母板和插座而直接用導(dǎo)線連接各個設(shè)備。因此，采用串行線可大大簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。PHILIPS公司早在十幾年前就推出了I2C串行總線，利用該總線可實(shí)現(xiàn)多主機(jī)系統(tǒng)所需的裁決和高低速設(shè)備同步等功能。因此，這是一種高性能的串行總線。 日前推出新型二選一I2C主選擇器，可以使兩個I2C主設(shè)備中的任何一個與共享資源連接，廣泛適用于從MP

3、3播放器到服務(wù)器等計(jì)算、通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，從而使制造商和終端用戶從中獲益。PCA9541可以使兩個I2C主設(shè)備在互不連接的情況下與同一個從設(shè)備相連接，從而簡化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，新產(chǎn)品以單器件替代了I2C多個主設(shè)備應(yīng)用中的多個芯片，有效節(jié)省了系統(tǒng)成本。2、硬件結(jié)構(gòu)I2C串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。典型的I2C總線結(jié)構(gòu)如圖1所示。 為了避免總線信號的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路（OD）輸出或集電極開路（OC）輸出。設(shè)備與總線

4、的接口電路如圖2所示。設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)線SDA接口電路應(yīng)該是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。而串行時鐘線也應(yīng)是雙向的，作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機(jī)，一方面要通過SCL輸出電路發(fā)送時鐘信號，另一方面還要檢測總線上的SCL電平，以決定什么時候發(fā)送下一個時鐘脈沖電平；作為接受主機(jī)命令的從機(jī)，要按總線上的SCL信號發(fā)出或接收SDA上的信號，也可以向SCL線發(fā)出低電平信號以延長總線時鐘信號周期?？偩€空閑時，因各設(shè)備都是開漏輸出，上拉電阻Rp使SDA和SCL線都保持高電平。任一設(shè)備輸出的低電平都將使相應(yīng)的總線信號線變低，也就是說：各設(shè)備的SDA是“與”關(guān)系，SCL也是“與

5、”關(guān)系。 總線對設(shè)備接口電路的制造工藝和電平都沒有特殊的要求（NMOS、CMOS都可以兼容）。在I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送率可高達(dá)每秒十萬位，高速方式時在每秒四十萬位以上。另外，總線上允許連接的設(shè)備數(shù)以其電容量不超過400pF為限。 總線的運(yùn)行（數(shù)據(jù)傳輸）由主機(jī)控制。所謂主機(jī)是指啟動數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟動信號）、發(fā)出時鐘信號以及傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設(shè)備，通常主機(jī)都是微處理器。被主機(jī)尋訪的設(shè)備稱為從機(jī)。為了進(jìn)行通訊，每個接到I2C總線的設(shè)備都有一個唯一的地址，以便于主機(jī)尋訪。主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到從機(jī)，也可以由從機(jī)發(fā)到主機(jī)。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設(shè)備稱為發(fā)送器，從總線上接收數(shù)據(jù)的

6、設(shè)備被稱為接受器。 I2C總線上允許連接多個微處理器以及各種外圍設(shè)備，如存儲器、LED及LCD驅(qū)動器、A/D及D/A轉(zhuǎn)換器等。為了保證數(shù)據(jù)可靠地傳送，任一時刻總線只能由某一臺主機(jī)控制，各微處理器應(yīng)該在總線空閑時發(fā)送啟動數(shù)據(jù)，為了妥善解決多臺微處理器同時發(fā)送啟動數(shù)據(jù)的傳送（總線控制權(quán)）沖突，以及決定由哪一臺微處理器控制總線的問題，I2C總線允許連接不同傳送速率的設(shè)備。多臺設(shè)備之間時鐘信號的同步過程稱為同步化。3、應(yīng)用舉例51、96系列的單片機(jī)應(yīng)用很廣，但是由于它們都沒有I2C總線接口，從而限制了在這些系統(tǒng)中使用具有I2C總線接口的器件。通過對I2C總線時序的分析，可以用51單片機(jī)的兩根I/O線來

7、實(shí)現(xiàn)I2C總線的功能。接I2C總線規(guī)定：SCL線和SDA線是各設(shè)備對應(yīng)輸出狀態(tài)相“與”的結(jié)果，任一設(shè)備都可以用輸出低電平的方法來延長SCL的低電平時間，以迫使高速設(shè)備進(jìn)入等待狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)不同速度設(shè)備間的時鐘同步。因此，即使時鐘脈沖的高、低電平時間長短不一，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳送，可以用軟件控制I/O口做I2C接口。 在單主控器的系統(tǒng)中，時鐘線僅由主控器驅(qū)動，因此可以用51系列的一根I/O線作為SCL的信號線，將其設(shè)備為輸出方式，并由軟件控制來產(chǎn)生串行時鐘信號。在實(shí)際系統(tǒng)中使用了P1.3。另一根I/O線P1.2作為I2C總線的串行數(shù)據(jù)線，可在軟件控制下在時鐘的低電平期間讀取或輸出數(shù)據(jù)。系統(tǒng)傳輸

8、數(shù)據(jù)的過程如下：先由單片機(jī)發(fā)出一個啟始數(shù)據(jù)信號，接著送出要訪問器件的7位地址數(shù)據(jù)，并等待被控器件的應(yīng)答信號。當(dāng)收以應(yīng)答信號后，根據(jù)訪問要求進(jìn)行相應(yīng)的操作。如果是讀入數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)線可一直設(shè)為輸入方式，中間不需要改變SDA線的工作方式，每讀入一個字節(jié)均應(yīng)依次檢測應(yīng)答信號；如果是輸出數(shù)據(jù)，則首先將SDA設(shè)置為輸出方式，當(dāng)發(fā)送完一個字節(jié)后，需要改變SDA線為輸入方式，此時讀入被控器件的應(yīng)答信號就完成了一個字節(jié)的傳送。當(dāng)所有數(shù)據(jù)傳輸完畢后，應(yīng)向SDA發(fā)出一個停止信號，以結(jié)束該次數(shù)據(jù)傳輸。 I2C范例51系列用匯編語言實(shí)現(xiàn)啟始、停止、讀、寫、應(yīng)答的程序，讀者也可以根據(jù)I2C總線時序在96系列或其它單片機(jī)上

9、實(shí)現(xiàn)I2C總線接口。 a.啟動位程序 ACK：CLR P1.3 NOP NOP SETB P1.2 NOP NOP NOP CPL P1.3 ；P1.3=1 NOP NOP NOP DENGDAI：JB P1.2，DENGDAI RET b.讀數(shù)據(jù)程序 讀字節(jié)可以在當(dāng)前地址讀（CURRENT READ），也可以隨機(jī)讀（RANDOM READ），讀出數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)后不用加應(yīng)答信號。 READ：PUSH 0EH CLR P1.4 LCALL BSTART ；START MOV A，#0A0H ；SEND THE CNOTROL BYTE LCALL SENDBYTE LCALL ACK MOV

10、 A，R1 ；SEND THE ADDRESS LCALL SENDBYTE LCALL ACK LCALL BSTART ；START MOV A，#0A1H ；SEND THE CNOTROL BYTE LCALL SENDBYTE LCALL ACK LCALL READBYTE LCALL BSTOP POP 0EH RET 送字節(jié)程序： SENDBYTE：PUSH 0EH PUSH 00H MOV R0,#08H LOOP1:CLR P1.3 NOP NOP RLC A MOV P1.2,C CPL P1.3 ;P1.3=1 NOP NOP DJNZ R0,LOOP1 POP 00H

11、 POP 0EH RET 讀字節(jié)子程序： READBYTE：PUSH 0EH PUSH 00H MOV R0，#08H；READ THE CONTENT CLR A LOOP4：CLR P1.3 NOP NOP NOP SETB P1.3 ；P1.3=1 MOV C,P1.2 RLC A DJNZ R0,LOOP4 MOV R2,A POP 00H POP 0EH RET c.寫數(shù)據(jù)程序： WRITE：PUSH 0EH CLR P1.4 LCALL BSTART MOV A，#0A0H CLALL SENDBYTE ；SEND THE CONTROL BYTE LCALL ACK MOV A，R1 ；SEND THE ADDRESS LCALL SENDBYTE LCALL ACK MOV A，R2 ；WRITE THE CONTENT LCALL SENDBYTE LCALL ACK LCALL BSTOP POP 0EH RET 連續(xù)寫的兩個字節(jié)之間最好是有10ms的延時。當(dāng)然，也可以進(jìn)行頁寫（PAGE WRITE），即