XXXX項目 IC總線時鐘芯片CF應(yīng)用

項目四

I2C總線技術(shù)

組員：彭國峰周君勝

高騰飛楊奇峰項目功能項目知識點與技能點項目知識準(zhǔn)備軟件設(shè)計硬件電路項目程序【項目功能】

1、利用I2C總線技術(shù)，完成ATmega16單片機對I2C器件PCF8563T時鐘芯片的讀寫操作。

2、通過完成項目，掌握I2C總線技術(shù)，并能合理運用到實際項目中。【項目知識點與技能點】1、I2C總線的協(xié)議。2、時鐘芯片PCF8563的相關(guān)知識。3、如何用I/O口模擬I2C通訊時序?！卷椖恐R準(zhǔn)備】1、I2C總線概述2、I2C總線的協(xié)議3、時鐘芯片PCF8563的相關(guān)知識1、I2C總線概述

I2C總線，是INTER-IC串行總線的縮寫。它是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。這種串行總線上的各單片機或集成電路模塊通過一條串行數(shù)據(jù)線（SDA）和一條串行時鐘線（SCL）進行信息傳送。同其他形式的總線相比，I2C總線具有可靠性好、傳輸速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，因此也被廣泛地應(yīng)用在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中。2、I2C總線的協(xié)議

按照I2C總線的通信規(guī)則，每個總線上的電路模塊都有的地址，總線通過這個地址識別連在總線上的器件。每個設(shè)備既可以是主控器（能控制總線，又能完成一次傳輸過程的初始化，并產(chǎn)生時鐘信號及傳輸終止信號的器件）或被控器（被主控器尋址的器件），也可以是發(fā)送器（在總線上發(fā)送信息的器件）或接收器（從總線上接收信息的器件）。（1）I2C總線的基本結(jié)構(gòu)

通常，采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機或IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，而且還有將內(nèi)部各單元電路按功能劃分的獨立模塊，它們通過軟件尋址實現(xiàn)片選功能，因此減少了器件片選線的連接?？偩€控制設(shè)備不僅能通過指令將某個功能單元電路掛接到總線或摘離總線，還可對該單元的工作狀況進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的簡單靈活的擴展與控制。I2C總線接口電路結(jié)構(gòu)如圖（2）起始和終止信號

若SCL為高電平，則SDA上的信息必須保持穩(wěn)定不變

若SCL為低電平，則SDA上的信息允許變化。

若SCL沒有時鐘信號，SDA上的數(shù)據(jù)也將停止傳輸。

當(dāng)SCL保持高電平期間，SDA由高電平向低電平變化這中狀態(tài)定義為起始信號SDA由低電平向高電平變化則定義為終止信號。SDA上的每一位數(shù)據(jù)都和SCL上的時鐘脈沖相對應(yīng)。且SCL和SDA的線“與”邏輯關(guān)系，下圖為I2C總線起始信號和終止信號時序圖。

在I2C總線上，SDA上的數(shù)據(jù)傳輸必須以字節(jié)為單位（最高位最先傳送），每個傳送字節(jié)后還必須跟隨一應(yīng)答位。這個應(yīng)答信號由發(fā)送器發(fā)出。整個數(shù)據(jù)傳送過程中，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)目是沒有限制的。但是若數(shù)據(jù)傳輸一段時間后，接收器無法繼續(xù)接收時，主控器也可以終止數(shù)據(jù)的傳送。（3）I2C總線線的的仲仲裁裁I2C總線線上上可可以以掛掛接接多多個個器器件件，，這這樣樣當(dāng)當(dāng)兩兩個個或或多多個個主主控控器器同同時時想想占占用用總總線線時時，，就就會會產(chǎn)產(chǎn)生生總總線線競競爭爭。。I2C總線線具具有有多多主主控控能能力力，，可可以以對對發(fā)發(fā)生生在在SDA線上上的的總總線線競競爭爭產(chǎn)產(chǎn)生生仲仲裁裁過過程程，，仲仲裁裁是是在在SCL為高高電電平平時時，，根根據(jù)據(jù)SDA狀態(tài)態(tài)進進行行的的。。在在總總線線仲仲裁裁期期間間，，如如有有其其他他以以主主控控器器已已經(jīng)經(jīng)在在SDA上傳傳送送低低電電平平，，則則發(fā)發(fā)送送高高電電平平的的主主控控器器就就會會發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)此此時時SDA上的的最最平平與與它它發(fā)發(fā)送送的的信信號號不不一一致致，，這這樣樣，，該該主主控控器器就就自自動動裁裁決決失失去去總總線線控控制制權(quán)權(quán)。。I2C總線線協(xié)協(xié)議議的的詳詳細細仲仲裁裁過過程程為為：：當(dāng)當(dāng)主主控控器器在在發(fā)發(fā)送送某某個個字字節(jié)節(jié)時時，，若若被被仲仲裁裁失失去去主主控控權(quán)權(quán)時時，，它它的的時時鐘鐘信信號號繼繼續(xù)續(xù)輸輸出出，，并并直直到到整整個個字字節(jié)節(jié)發(fā)發(fā)送送結(jié)結(jié)束束為為止止。。若若主主控控器器在在尋尋址址階階段段被被仲仲裁裁失失去去主主控控權(quán)權(quán)，，它它就就立立刻刻進進入入被被旁旁若若被被控控接接收收狀狀態(tài)態(tài)，，并并判判斷斷取取得得主主控控權(quán)權(quán)的的主主控控器器是是否否正正在在對對它它進進行行尋尋址址。在仲仲裁裁過過程程中中，，一一旦旦有有個個主主控控器器低低電電平平時時鐘鐘信信號號，，則則SCL也變變?yōu)闉榈偷碗婋娖狡綘顮顟B(tài)態(tài)，，它它將將影影響響所所有有有有關(guān)關(guān)的的主主控控器器，，并并使使它它們們的的計計時時器器復(fù)復(fù)位位。。如如果果有有一一個個主主控控器器首首先先由由低低電電平平向向高高電電平平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換，，這這時時由由于于還還有有其其他他主主控控器器處處于于低低電電平平狀狀態(tài)態(tài)，，因因此此它它只只能能處處于于高高電電平平狀狀態(tài)態(tài)等等待待狀狀態(tài)態(tài)，，直直至至所所有有主主控控器器都都結(jié)結(jié)束束低低電電平平狀狀態(tài)態(tài)，，SCL才轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為為高高電電平平。。仲仲裁裁過過程程中中的的具具體體時時序序同同步步如如圖圖所所示示。。（4）I2C總線的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸I2C總線上的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸主主要是以18位的字節(jié)進行的，其其傳輸過程程如圖9.3.4所示。圖中1時刻時字節(jié)節(jié)傳送完成成，接收器器內(nèi)產(chǎn)生中中斷信號；；圖中2時刻則為當(dāng)當(dāng)中斷服務(wù)務(wù)處理過程程中，接收收器保持低低電平信號號。在I2C總線上，每每個數(shù)據(jù)的的邏輯“0”和邏輯“1”的信號電平平取決于相相應(yīng)的正端電壓。當(dāng)I2C總線進行數(shù)數(shù)據(jù)傳送時時，時鐘信號的的高電平使數(shù)據(jù)線上上的數(shù)據(jù)保保持穩(wěn)定；；時鐘信號在在低電平時時，數(shù)據(jù)線上上的高電平平或低電平平狀態(tài)才允允許變化。。在時鐘線保保持高電平平期間，由由于數(shù)據(jù)線線由高電平平向低電平平然變化是是一種穩(wěn)定定的狀態(tài)，，所以就將將其狀態(tài)規(guī)規(guī)定為起始始條件；而而時鐘線保保持高電平平期間，數(shù)數(shù)據(jù)線是由由低電平向向高電平變變化，則規(guī)規(guī)定為停止止條件。因因此，只有有I2C總線中的主主控器件產(chǎn)產(chǎn)生的起始始條件和停停止條件才才能使總線線進入“忙忙”或“閑閑”狀態(tài)。。在I2C總線上，比比特位傳送送字節(jié)的后后面都必須須有一位應(yīng)應(yīng)答位，并并且數(shù)據(jù)是是以最高有有效位首先先發(fā)出。由由于進行數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡慕邮掌魇帐盏酵暾牡囊粋€數(shù)據(jù)據(jù)字節(jié)后，，有可能還還要進行相相應(yīng)的數(shù)據(jù)據(jù)處理，因因此，接收收器也就無無法立刻接接收下一個個字節(jié)的數(shù)數(shù)據(jù)。為了了解決這一一問題，I2C協(xié)議規(guī)定：：接收器可以以通過總線線上的時鐘鐘保持為低低電平，使使發(fā)送器進進入等待狀狀態(tài)，直到到接收器準(zhǔn)準(zhǔn)備好接收收新的數(shù)據(jù)據(jù)。并釋放放時鐘線使使數(shù)據(jù)傳輸輸繼續(xù)進行行。字節(jié)傳送與與應(yīng)答當(dāng)一個字節(jié)節(jié)的數(shù)據(jù)被被總線上的的另一個已已被尋址的的接收器接接收后，總總線上都要要求產(chǎn)生一一個確認信信號，并在在這一位時時鐘信號的的高電平期期間，使數(shù)數(shù)據(jù)保持穩(wěn)穩(wěn)定的低電電平狀態(tài)，，從而完成成應(yīng)答確認認信號的輸輸出。確認認信號通常常是指起始始信號和停停止信號，，如果這個個信息從一一個起始字字節(jié)，或是是總線尋址址，則總線線上不允許許有應(yīng)答信信號產(chǎn)生。。如果接收收器對被尋尋址做出了了確認應(yīng)答答，但在數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡囊欢螘r間間以后，又又無法繼續(xù)續(xù)接收更多多的數(shù)據(jù)，，則主控器器也將停止止數(shù)據(jù)的繼繼續(xù)傳送。。I2C總線的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸格式式如圖所示示。其中1～7位為地址位位，第8位為讀／寫寫位，第九九位為應(yīng)答答位。I2C總線中，數(shù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)協(xié)議為：·起始信號的的后面總有有一個被控控器的地址址，被控器器的地址一一般規(guī)定為為7位數(shù)據(jù)。·數(shù)據(jù)的第8位是數(shù)據(jù)的的傳輸方向向位，即讀讀／寫位。。在讀／寫寫位中，如果是“0”,則表示主控控器向被控控機發(fā)送數(shù)數(shù)據(jù)，也就就是執(zhí)行“寫”的功能；如果是“1”,則表示主控控器接收被被控器發(fā)來來的數(shù)據(jù)，，也就是執(zhí)執(zhí)行“讀”的功能?！?shù)據(jù)的傳輸輸總是隨主主控器產(chǎn)生生的停止信信號而結(jié)束束。3、時鐘芯片片PCF8563的相關(guān)知識識（1）時鐘芯片片PCF8563概述PCF8563是PHILIPS公司推出的的一款工業(yè)業(yè)級內(nèi)含I2C總線接口功功能的具有有極低功耗耗的多功能能時鐘/日歷芯片。。PCF8563的多種報警警功能、定定時器功能能、時鐘輸輸出功能以以及中斷輸輸出功能能能完成各種種復(fù)雜的定定時服務(wù)，，甚至可為為單片機提提供看門狗狗功能。內(nèi)部時鐘電電路內(nèi)部振振蕩電路、、內(nèi)部低電電壓檢測電電路1.0V以及兩線制制I2C總線通訊方方式，不但但使外圍電電路及其簡簡潔，而且且也增加了了芯片的可可靠性。同同時每次讀讀寫數(shù)據(jù)后后，內(nèi)嵌的的字地址寄寄存器會自自動產(chǎn)生增增量。當(dāng)然然作為時鐘鐘芯片，PCF8563亦解決了2000年問題。因因而，PCF8563是一款性價價比極高的的時鐘芯片片，它已被被廣泛用于于電表、水水表、氣表表、電話、、傳真機、、便攜式儀儀器以及電電池供電的的儀器儀表表等產(chǎn)品領(lǐng)領(lǐng)域。（2）時鐘芯片PCF8563的外部結(jié)構(gòu)構(gòu)及引腳功功能下圖為時鐘鐘芯片PCF8563的外部結(jié)構(gòu)構(gòu)圖振蕩器輸入入振蕩器輸出出中斷輸出地正電源時鐘輸出串行時鐘輸輸出串行數(shù)據(jù)I/O（3）時鐘芯片片PCF8563的基本原理理及內(nèi)部寄寄存器述1）時鐘芯片片PCF8563的基本原理理PCF8563有16個8位寄存器：一個可自動動增量的地地址寄存器器，一個內(nèi)置32.768KHz的振蕩器（（帶有一個個內(nèi)部集成成的電容）），一個分頻器器（用于給給實時時鐘鐘RTC提供源時鐘鐘），一個可編程程時鐘輸出出，一個定時器器一個報警警器，一個掉電檢檢測器和一一個400KHzI2C總線接口。。所有16個寄存器設(shè)計成可尋尋址的8位并行寄存存器，但不是所所有位都有有用。內(nèi)存地址00H，01H用于控制寄存器器和狀態(tài)寄寄存器，內(nèi)存地址02H～08H用于時鐘計計數(shù)器（秒秒～年計數(shù)數(shù)器），地址09H～0CH用于報警寄寄存器（定定義報警條條件），地址0DH控制CLKOUT用于管腳的的輸出頻率率，地址0EH和0FH分別用于定時器器控制寄存存器和定時時器寄存器器。秒、分分鐘、小時時、日、月月、年、分分鐘報警、、小時報警警、日報警警寄存器，，編碼格式式為BCD，星期和星星期報警寄寄存器不以以BCD格式編碼。。PCF8563共有16個寄存器，，00H～01H為控制方式式寄存器、、09H～0CH為報警功能能寄存器、、0DH為時鐘輸出出寄存器、、0EH和0FH為定時器功功能寄存器器、02H～08H為秒～年時時間寄存器器。各位寄寄存器的位位描述如下下表所示。。2）時鐘芯片片PCF8563內(nèi)部寄存器器概述【軟件設(shè)計】程序流程圖圖【硬件電路】ATmega16單片機本身身帶有I2C總線接口，，在本項目目中，為了了將I2C總線的整數(shù)數(shù)據(jù)傳輸工工作過程