單片機原理及應用-第七講

I2C串行總線的組成及工作原理8.1I2C串行總線的組成及工作原理采用串行總線技術可以使系統(tǒng)的硬件設計大大簡化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時，系統(tǒng)的更改和擴充極為容易。常用的串行擴展總線有：I2C（InterICBUS）總線、單總線（1－WIREBUS）、SPI（SerialPeripheralInterface）總線及Microwire/PLUS等。

本課僅討論I2C串行總線。8.1.1I2C串行總線概述

I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。

I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。I2C總線通過上拉電阻（阻值常為1k8,4k7and10k，1k8時性能最好）接正電源。當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關系（總線上的信號是所有器件輸出到該線路上的信號相“與”的結(jié)果）。

連接上I2C總線的器件的引腳可以輸出/輸入信號到總線上。器件引腳輸出的信號可能是：高電平/低電平（器件工作時）、高阻態(tài)（器件不工作時）。

當器件不工作時，其輸出為高阻態(tài)，由于總線通過上拉電阻接正電源，所以總線上的信號為高電平。即：當總線空閑時，兩根線均為高電平。將SDA、SCL均置為1，用來釋放總線。當器件工作時，若輸出為高電平，總線上的信號為高電平（前提是沒有別的部件輸出低電平到總線上）；若輸出為低電平，總線上的信號恒為低電平（不管有沒有別的部件輸出什么信號到總線上）。

即如果一方輸出低，另一方即使輸出高也不能使SDA為高，相當于，輸出低的一方占住了SDA口，所以兩個口一個輸出高一個輸出低，則線上電平是低的。這是因為輸出高的驅(qū)動能力不及輸出低的拉電流的能力?？偩€封鎖狀態(tài)：如果需要禁止所有發(fā)生在I2C總線上的通信活動，封鎖或關閉總線是一種可行途徑，只要掛接于該總線上的任意一個器件將時鐘線SCL鎖定在低電平上即可。

每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，即主機寫從機，這時主機為發(fā)送器，從機為接收器；也可以由從機發(fā)送數(shù)據(jù)到主機，即主機讀從機，這時從機為發(fā)送器，主機為接收器。雖然二者都可以傳輸數(shù)據(jù)，但是從設備不能發(fā)起傳輸，且傳輸是受到主設備控制的。所以主機讀從機時，需先由主機向從機發(fā)讀命令，然后由從機發(fā)送數(shù)據(jù)到主機。

在多主機系統(tǒng)中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線。

器件釋放總線是通過不驅(qū)動總線來釋放，停止驅(qū)動后總線應該為“1”，但是發(fā)現(xiàn)總線還是“0”，說明還有主機在競爭總線使用權(quán)，自己線驅(qū)動到“1”，卻檢測到“0”，意味著自己已經(jīng)失去了仲裁（失去了總線使用權(quán)）。所以即其仲裁原則為：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發(fā)送高電平，而另一個主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送高電平的那個器件將自動關閉其輸出級。若均為低電平后則比較從機的器件地址，如果主器件尋址同一個從器件，則進入數(shù)據(jù)位的比較。所以

I2C總線的控制只由地址碼以及要發(fā)送的數(shù)據(jù)決定，沒有中央主機，總線也沒有任何定制的優(yōu)先權(quán)。假如在某I2C總線系統(tǒng)中存在兩個主器件節(jié)點，分別記為主器件1和主器件2，其數(shù)據(jù)輸出端分別為DATA1和DATA2，它們都有控制總線的能力，這就存在著發(fā)生總線沖突（即寫沖突）的可能性。

假設在某一瞬間兩者相繼向總線發(fā)出了啟動信號，鑒于：I2C總線的“線與”特性，使得在數(shù)據(jù)線SDA上得到的信號波形是DATA1和DATA2兩者相與的結(jié)果。

在總線被啟動后，主器件1企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“101……”，主器件2企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“100101……”。

兩個主器件在每次發(fā)出一個數(shù)據(jù)位的同時都要對自己輸出端的信號電平進行抽檢，只要抽檢的結(jié)果與它們自己預期的電平相符，就會繼續(xù)占用總線，總線控制權(quán)也就得不到裁定結(jié)果。

主器件1的第3位期望發(fā)送“1”，也就是在第3個時鐘周期內(nèi)送出高電平。在該時鐘周期的高電平期間，主器件1進行例行抽檢時，結(jié)果檢測到一個不相匹配的電平“0”，這時主器件1只好決定放棄總線控制杈；因此，主器件2就成了總線的惟一主宰者，總線控制權(quán)也就最終得出了裁定結(jié)果，從而實現(xiàn)了總線仲裁的功能。

從以上總線仲裁的完成過程可以得出：仲裁過程主器件1和主器件2都不會丟失數(shù)據(jù)；各個主器件沒有優(yōu)先級別之分，總線控制權(quán)是隨機裁定的，即使是搶先發(fā)送啟動信號的主器件1最終也并沒有得到控制權(quán)。

系統(tǒng)實際上遵循的是“低電平優(yōu)先”的仲裁原則，將總線判給在數(shù)據(jù)線上先發(fā)送低電平的主器件，而其他發(fā)送高電平的主器件將失去總線控制權(quán)。一、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定

I2C總線在時鐘信號為高電平期間，進行數(shù)據(jù)傳送（讀寫）時，所以此時間段內(nèi)數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定。亦即：只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化，所以在向SDA上送數(shù)據(jù)之前，要將SCL置為低，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將SCL置為高，再進行讀寫。8.1.2I2C總線的數(shù)據(jù)傳送二、起始和終止信號初始化時（總線空閑時）SCL、SDA均為高電平

。在SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；在SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。

可以理解為什么前面說：在SCL線為高電平期間，進行讀寫，此時SDA線的數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定。起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。接收器件收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務等，可能無法立刻接收下一個字節(jié)，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個字節(jié)時，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進行。

三、數(shù)據(jù)傳送格式（1）字節(jié)傳送與應答

每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位），但是應答位由從機（即接收器）發(fā)出的。發(fā)送器每發(fā)送一個字節(jié)，就在時鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個應答信號（發(fā)送端在發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，要在SCL第9個脈沖來臨前把SDA拉高，以等待接收端發(fā)來ACK信號）。三、數(shù)據(jù)傳送格式（1）字節(jié)傳送與應答

在第9個SCL時鐘周期的高電平期間，讀SDA，若為低電平表示應答（接收器在第9個時鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平），若為高電平表示非應答（從機輸出高電平）或無應答（從機無任何輸出）。所以檢測非應答時，要通過持續(xù)循環(huán)一定長的時間，檢測SDA是否為高，因為從機的反應速度慢。非應答信號的使用由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機產(chǎn)生一個終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。如果從機對主機進行了應答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時，從機可以通過對無法接收的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應答”通知主機，主機則應發(fā)出終止信號以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。

當主機接收數(shù)據(jù)時，它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個結(jié)束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答”來實現(xiàn)的。然后，從機釋放SDA線，以允許主機產(chǎn)生終止信號。非應答信號的使用如果接收器是主控器，則在它收到最后一個字節(jié)后，發(fā)送一個NACK信號，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個停止信號P。

主機檢測到從機應答信號后才能進行下一次操作，如檢測到非應答信號主機則發(fā)出終止信號，結(jié)束數(shù)據(jù)的傳送，或重發(fā)數(shù)據(jù)。

主機收到應答信號后，若無數(shù)據(jù)傳送，也可發(fā)終止信號，結(jié)束傳送。（2）數(shù)據(jù)幀格式

I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。

在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機接收數(shù)據(jù)（R）。

每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機產(chǎn)生的終止信號結(jié)束。但是，若主機希望繼續(xù)占用總線進行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機進行尋址。

工作過程1.主設備向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)主設備發(fā)送起始位，這會通知總線上的所有設備傳輸開始了，接下來主機發(fā)送設備地址，與這一地址匹配的slave將繼續(xù)這一傳輸過程，而其它slave將會忽略接下來的傳輸并等待下一次傳輸?shù)拈_始。

主設備尋址到從設備后，發(fā)送它所要寫入的從設備的內(nèi)部寄存器地址；之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送停止位。寫入過程如下：發(fā)送起始位。發(fā)送從設備的地址和讀/寫選擇位。釋放總線，等到EEPROM拉低總線進行應答（如果EEPROM接收成功，則進行應答；若沒有握手成功或者發(fā)送的數(shù)據(jù)錯誤時EEPROM不產(chǎn)生應答，此時重發(fā)或者終止，轉(zhuǎn)到1或7）。發(fā)送想要寫入的內(nèi)部寄存器地址。EEPROM對其發(fā)出應答（若無應答，轉(zhuǎn)到1或7）。寫入過程如下：發(fā)送數(shù)據(jù)。（可向一個連續(xù)地址區(qū)域發(fā)送多個字節(jié)的數(shù)據(jù)，不需要再寫入內(nèi)部地址，因為每傳送一個字節(jié)（并有應答信號），內(nèi)部存儲地址會自加1，但每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都要有應答信號，才能去發(fā)下一個字節(jié)）發(fā)送停止位。EEPROM收到停止信號后，進入到一個內(nèi)部的寫入周期，大概需要10ms，此間任何操作都不會被EEPROM響應（所以在兩次寫入之間要插入一個延時，否則會導致失?。?。工作過程2.主控器讀取數(shù)據(jù)的過程：讀的過程比較復雜，在從slave讀出數(shù)據(jù)前，你必須先要告訴它哪個內(nèi)部寄存器是你想要讀取的，因此必須先對其進行寫入(dummywrite)：先寫入從器件設備地址（對設備尋址）以及從器件內(nèi)部地址（對設備內(nèi)部存儲單元尋址），然后再寫一遍從器件設備地址設置第8位數(shù)據(jù)傳送方向位為1（R），通知從設備發(fā)送數(shù)據(jù)。讀入過程如下：發(fā)送起始位；發(fā)送slave地址+writebitset；發(fā)送內(nèi)部寄存器地址；重新發(fā)送起始位，即restart；重新發(fā)送slave地址+readbitset；讀取數(shù)據(jù)的主機接收器，在接收到最后一個字節(jié)后，發(fā)出NACK信號，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，于是，從機發(fā)送器釋放SDA線，以便主機發(fā)出終止信號結(jié)束傳輸（當單片機作為接收端時，如果接收多個字節(jié)數(shù)據(jù)，那么，在每接收完一字節(jié)的數(shù)據(jù)后，都要發(fā)送應答信號，最后一個字節(jié)除外

）。主機發(fā)送停止位

在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：a、主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個傳送過程中不變：注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機向主機傳送。

A表示應答，A非表示非應答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。。這里的“數(shù)據(jù)”是指廣義的數(shù)據(jù)，可以是從機內(nèi)部地址也可以是數(shù)據(jù)b、主機從從機讀數(shù)據(jù)c、在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相（見上圖）。四、總線的尋址I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個字節(jié)）。（1）尋址字節(jié)的位定義

D7～D1位組成從機的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，為“1”時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)。主機發(fā)送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器。從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。一、典型信號模擬為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標準的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴格的時序要求。I2C總線的起始信號、終止信號、發(fā)送“0”及發(fā)送“1”的模擬時序：

總線數(shù)據(jù)傳送的模擬

主機可以采用不帶I2C總線接口的單片機，如80C51、AT89C2051等單片機，利用軟件實現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結(jié)合的信號模擬。

二、典型信號模擬子程序通過空操作來實現(xiàn)延時（對于延時很短的，要求在us級的）在keilC51中，直接調(diào)用intrins.h頭文件中的庫函數(shù)_nop_()，其原型為：void_nop_(void);//產(chǎn)生一條NOP指令

這個函數(shù)相當匯編NOP指令，延時幾微秒（NOP指令為單周期指令，可由晶振頻率算出延時時間，對于12M晶振，延時1uS）。#defineNOP5(){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}二、典型信號模擬子程序（1）起始信號VoidI2CStart(void){SDA=1; SCL=1;//起始之前總線空閑SDA、SCL均為1 NOP5();//NOP5()>4.7us SDA=0;//在SDA上產(chǎn)生下降沿 NOP5();//NOP5()>4usSCL=0;//拉低SCL為輸出數(shù)據(jù)到SDA做準備}（2）終止信號voidI2cStop(void){ SDA=0;//為在SDA上產(chǎn)生上升沿做準備 SCL=1; NOP5();//NOP5()>4us SDA=1;//在SDA上產(chǎn)生上升沿 NOP5();//NOP5()>4.7us}//終止信號發(fā)出后，總線回到空閑狀態(tài)，SDA、SCL均為1（3）發(fā)送應答/非應答信號//ack=0表示應答；ack=1表示非應答voidI2cS_Ack(bit

ack){ SCL=0;//拉低SCL為輸出數(shù)據(jù)到SDA做準備 SDA=ack;//輸出ack到SDA，表示應答/不應答 SCL=1; NOP5();//NOP5()>4usSCL=0;//SCL從0-1-0為一個完整的時鐘周期SDA=1;//釋放總線}存在總線控制權(quán)交替時就需要釋放總線（4）查詢/接收應答信號ucharI2cR_Ack(void)//返回值為0表示應答，為1表示非應答{uchar

i,ack;

SCL=0;//拉低SCL為輸出數(shù)據(jù)到SDA做準備SDA=1;//釋放總線，讓從設備能輸出數(shù)據(jù)到SDASCL=1;while((SDA==1)&&(i<250))i++;//等待從設備發(fā)送應答信號，若為0，表示應答，循環(huán)結(jié)束；若為1，可能是從機還未將信號送上來，循環(huán)延時到i>250，若仍為1，此時才認為是未應答。ack=SDA;SCL=0;//SCL從0-1-0為一個完整的時鐘周期SDA=1;//釋放總線return(ack);}

8.2.2I2C總線器件的擴展一、擴展電路

二、串行E2PROM的擴展

（1）串行E2PROM典型產(chǎn)品AT24C01：128字節(jié)（128×8位）；

AT24C02：256字節(jié)（256×8位）；AT24C04：512字節(jié)（512×8位）AT24C08：1K字節(jié)（1K×8位）；AT24C16：2K字節(jié)（2K×8位）；ATMEL公司的AT24C系列：

1、引腳的功能24CXX系列的E2PROM管腳排列圖分別為如圖9-14的（a）、（b）、（c）所示VCC：電源+5V。VSS：地線。SCL：串行時鐘輸入端，用于發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)時產(chǎn)生所需的時鐘。SDA：串行數(shù)據(jù)I/O端，用于輸入和輸出串行數(shù)據(jù)。該引腳是漏極開路的端口，需接上拉電阻到VCC。WP：寫保護端，該引腳提供了硬件數(shù)據(jù)保護，當WP接地時，允許對芯片執(zhí)行寫操作；當WP接VCC時，則對芯片實施寫保護。(a)24C01/02/04/08/16/32/64管腳（b）24C128管腳(c)24C256管腳圖9-1424CXX系列E2PROM引腳圖

（2）寫入過程

AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分為1010，A2、A1、A0引腳接高、低電平后得到確定的3位編碼。形成的7位編碼即為該器件的地址碼。

單片機進行寫操作時，首先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（共8位，即一個字節(jié)），發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個應答信號作為相應，單片機收到應答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。

傳送數(shù)據(jù)時，單片機首先發(fā)送一個字節(jié)的被寫入器件的存儲區(qū)的首地址，收到存儲器器件的應答后，單片機就逐個發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)，但每發(fā)送一個字節(jié)后都要等待應答。

AT24C系列器件片內(nèi)地址在接收到每一個數(shù)據(jù)字節(jié)地址后自動加1，在芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)”（不同芯片字節(jié)數(shù)不同）限度內(nèi)，只需輸入首地址。裝載字節(jié)數(shù)超過芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)”時，數(shù)據(jù)地址將“上卷”，前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋。

當要寫入的數(shù)據(jù)傳送完后，單片機應發(fā)出終止信號以結(jié)束寫入操作。寫入n個字節(jié)的數(shù)據(jù)格式：

（3）讀出過程單片機先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（“偽寫”），發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個應答信號作為回應。

然后，再發(fā)一個字節(jié)的要讀出器件的存儲區(qū)的首地址，收到應答后，單片機要重復一次起始信號并發(fā)出器件地址和讀方向位（“1”），收到器件應答后就可以讀出數(shù)據(jù)字節(jié)，每讀出一個字節(jié)，單片機都要回復應答信號。當最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)讀完后，單片機應返回以“非應答”（高電平），并發(fā)出終止信號以結(jié)束讀出操作。

（5）向總線寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)voidWriteByte(unsignedcharsendbyte){unsignedchardataj=8;for(;j>0;j--){SCL=0;//拉低SCL為輸出數(shù)據(jù)到SDA做準備sendbyte<<=1;//左移時最低位補0，最高位移入PSW的CY位SDA=CY;//輸出數(shù)據(jù)到SDA

SCL=1;//產(chǎn)生時鐘信號上升沿,完成數(shù)據(jù)位傳送

NOP5();}SCL=0;//SCL從0-1-0為一個完整的時鐘周期SDA=1;//釋放總線}（6）從總線讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)unsignedcharReadByte(void){unsignedchardataj=8,recbyte;SCL=0;//拉低SCL為從設備輸出數(shù)據(jù)到SDA做準備SDA=1;//釋放總線for(;j>0;j--){SCL=1;//在時鐘為高電平期間讀

NOP5();recbyte=(recbyte<<1)|SDA;//讀SDASCL=0;//SCL從0-1-0為一個完整的時鐘周期}

return(recbyte);//返回所讀數(shù)據(jù)}【例】將數(shù)據(jù)“0x0f”寫入AT24C02再讀出送P1口顯示。電路源程序虛擬儀器I2C

DEBUGGER虛擬儀器I2C

DEBUGGER前面是數(shù)據(jù)后面是應答AT24C02有兩種讀寫方式：字節(jié)讀寫方式（一次讀寫一個字節(jié)）、頁讀寫方式（可連續(xù)讀寫最多一個頁【8B】的數(shù)據(jù)）。前面的例子是字節(jié)讀寫方式。AT24C02共256B