內(nèi)部集成電路(I2C)協(xié)議

4.10通用串行通信接口(USCI)

—I2C模式主要內(nèi)容I2C總線協(xié)議I2C簡介尋址模式總線時序MSP430I2C模塊模塊的特性各類描述符解析模塊的中斷源及相關(guān)的中斷處理函數(shù)應(yīng)用示例I2CBUS接口I2C簡介及應(yīng)用

I2CBUS（InterICBUS）是Philips推出的芯片間串行傳輸總線，它以2根連線實現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極方便地構(gòu)成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。I2C總線采用了器件地址的硬件設(shè)置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有最簡單而靈活的擴展方法。I2C接口的標準傳輸速率為100Kbit/s，快速傳輸可達400Kbit/s,目前還增加了高速模式，最高傳輸速率可達3.4Mbit/s。

I2C用于連接集成電路和功能模塊，在它們之間交互數(shù)據(jù)或控制信息。很多設(shè)備如:鍵盤和LED控制器，以及存儲設(shè)備EEPROM和FLASH都配備了I2C

總線接口。I2CBUS接口特性兩條數(shù)據(jù)線，SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）；7位或10位設(shè)備尋址模式；每個連接到總線上的器件地址由芯片內(nèi)部硬件電路和外部地址同時決定，避免了片選線的線連接方法，并建立簡單的主從關(guān)系，主器件提供接收和發(fā)送所必須的時序；真正的多主總線，帶有競爭監(jiān)測和仲裁電路，多個主機任意發(fā)送而不破壞總線上的數(shù)據(jù)；同步時鐘允許器件以不同的數(shù)據(jù)傳輸率進行通信；I2CBUS接口常用術(shù)語發(fā)送器：本次傳輸中發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的器件；接收器：本次傳輸中從總線接收數(shù)據(jù)的器件；主機：初始化發(fā)送、產(chǎn)生時鐘信號和終止發(fā)送的器件，它可以是發(fā)送器或接收器。主機通常是微控制器；從機：被主機尋址的器件，可以是發(fā)送器或接收器。多主器件：多個主器件可以同時企圖控制總線而不破壞總線信息。I2CBUS接口

I2C總線是個多主機總線，所有主器件都可以發(fā)出同步時鐘，但由于SCL接口的”線與”結(jié)構(gòu)，一旦一個主器件時鐘跳變?yōu)榈碗娖?，將使SCL線支持為低電平直至始終到達高電平，因此SCL線上時鐘低電平時間由各器件中時鐘最長的低電平時間決定，而時鐘高電平時間則由高電平時間最短的器件決定?？偩€速率越高，總線上拉電阻就越小，100Kbit/s總線速率，通常使用5.1K歐姆的上拉電阻I2CBUS接口數(shù)據(jù)形式S從方地址加讀寫控制數(shù)據(jù)存放地址數(shù)據(jù)P I2C因為有兩種尋址模式，所以它具體的格式有兩種，在下一節(jié)介紹，這里主要按分類部分來描述數(shù)據(jù)格式?？偟臄?shù)據(jù)傳送為：主方每發(fā)送8個BIT,必須等待從方的一個反饋ACK。停止信號作為一次傳送的結(jié)束，在該信號之后，總線被認為再次處于空閑狀態(tài)。起始信號通常由主機發(fā)出，它作為一次傳輸?shù)拈_始。在起始信號后總線被認為處于忙的狀態(tài)尋址模式 7位尋址模式最多可以尋址128個設(shè)備， 10位尋址最多可以尋址1024個設(shè)備。

第一個字節(jié)是由7位從地址和R/W（讀寫位）組成，不論總線傳送地址信息還是數(shù)據(jù)信息，每個字節(jié)傳送完畢接收設(shè)備都會發(fā)送一個反饋響應(yīng)位（ACK）。后面都是數(shù)據(jù)信息，直到接收到停止信號。 但目前幾乎所有的I2C應(yīng)用模塊都采用這樣的格式，即第二字節(jié)是給出從方的存放數(shù)據(jù)的地址（RAM或FLASH地址）。而后面才是真正的數(shù)據(jù)（數(shù)量不限），且只需要給出首存放地址，后面的數(shù)據(jù)會依次存放在首地址后。當然，如果第二字節(jié)作為地址不夠，那么第三字節(jié)也可以作為地址部分。7位尋址模式7位尋址模式中，第一個字節(jié)是7位從地址和R/W讀寫控制位。每個字節(jié)后，接收機發(fā)送ACK位。如果8位不夠，可以繼續(xù)往下順延，不過每個字節(jié)后必須等待一個ACK.10位尋址模式10位尋址模式中，11110b加上10位從地址的高兩位及R/W位組成第一個字節(jié)數(shù)據(jù)。每個字節(jié)結(jié)束后，接收器發(fā)送ACK位。下一個為10位從地址的剩余8位，其后是ACK位和8位數(shù)據(jù)。不停止傳輸而改變傳輸?shù)膶傩灾鳈C可以在沒有停止傳輸時，通過產(chǎn)生重復(fù)的START條件，改變SDA上數(shù)據(jù)流的方向，即讀或?qū)?。這稱為RESTART。START后，按照R/W確定的新數(shù)據(jù)方向再次發(fā)出從芯片的地址。I2C總線時序

在數(shù)據(jù)傳送過程中，必須確認數(shù)據(jù)傳送的開始和結(jié)束，這通過起始和結(jié)束信號識別。起始位：SCL=1時，SDA上有下降沿停止位：SCL=1時，SDA上有上升沿所以只有當SCL為低時才允許SDA改變數(shù)據(jù)，不然會被誤判為起始位或停止位而造成錯誤，如圖：起始信號結(jié)束信號SDASCLSP

I2C總線數(shù)據(jù)傳送時，每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后都必須有應(yīng)答信號（A）。主控器接收數(shù)據(jù)時，如果要結(jié)束通信時，將在停止位之前發(fā)送非應(yīng)答信號（）。

A=應(yīng)答(SDA為低) =非應(yīng)答(SDA為高)SDASCL應(yīng)答信號非應(yīng)答信號AAI2C總線時序I2C總線時序S從器件地址WA數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)…A/AP主發(fā)送模式：S從器件地址RA數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)…AP主接收模式：S從器件地址WA數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)…A/AP/RS從發(fā)送模式：S從器件地址RA數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)…AP從接收模式：

一般I2C具有4種操作模式：主發(fā)送模式、主接收模式、從發(fā)送模式和從接收模式。主機到從機主機到從機A=應(yīng)答(SDA為低)A=非應(yīng)答(SDA為高)S=起始信號P=停止信號RS=重復(fù)起始信號I2C時鐘同步

仲裁過程中，實際由于電氣特性，已經(jīng)對各個不同主設(shè)備的時鐘進行同步處理，所以各個設(shè)備使用的時鐘都是一樣的、同步后的SCL。同步規(guī)則就是：SCL線上時鐘低電平時間由各器件中時鐘最長的低電平時間決定，而時鐘高電平時間則由高電平時間最短的器件決定?？偟脑瓌t是：低電平否決高電平。設(shè)備1發(fā)出SCL：設(shè)備2發(fā)出SCL：總線SCL：I2C總線仲裁

當兩個設(shè)備同時發(fā)出起始位進行數(shù)據(jù)傳輸時，相互競爭的設(shè)備使它們的時鐘保持同步。沒有檢測到?jīng)_突之前，每個設(shè)備都認為只有自己在使用總線。每個設(shè)備都有仲裁功能，它們都去檢測SDA線，檢測到自己發(fā)送的數(shù)據(jù)和總線上數(shù)據(jù)不匹配的設(shè)備就失去仲裁能力。 如果兩個或更多的設(shè)備發(fā)送的第一個字節(jié)的內(nèi)容相同,那么仲裁就發(fā)生在隨后傳輸中。失去仲裁的主設(shè)備轉(zhuǎn)變成從接收模式。 注意：數(shù)據(jù)沖突是因為邏輯低電平可以把邏輯高電平否決。在同一時刻如果兩設(shè)備一個發(fā)高電平一個發(fā)低電平，那么 總線上是低電平。通用串行通信接口(USCI)模塊通用串行通信接口(USCI)模塊支持多種串行通信模式。不同的USCI模塊支持不同的模式USCI_Ax模塊支持：UART模式IrDA通信的脈沖整形LIN通信的自動波特率檢測SPI模式USCI_Bx模塊支持：I2C模式SPI模式I2C模塊特點MSP430的I2C模塊有如下特點：與Philips半導體I2C規(guī)范v2.1兼容7位和10位芯片尋址方式全呼開始/重新開始/停止多主機發(fā)送/接收模式從接收/發(fā)送模式支持100kbps的標準模式和高達400kbps的快速模式主機模式下UCxCLK頻率可編程為低功耗設(shè)計用于LPMx模式自動喚醒的從接收器開始檢測LPM4模式下的從模式操作初始化或重新配置USCI模塊

推薦使用的USCI模塊初始化或重新配置步驟：1、置位UCSWRST2、通過UCSWRST=1初始化所有USCI寄存器3、端口配置4、軟件清除UCSWRST5、使能中斷（可選）I2C模式下的USCI中斷USCI模塊只有一個中斷向量，該中斷向量由發(fā)送、接收以及狀態(tài)改變復(fù)用。USCI_Ax和USCI_Bx不使用同一個中斷向量。每個中斷標志都有自己的中斷允許位。GIE位置位時，如果使能一個中斷，將會產(chǎn)生中斷請求。在集成有DMA控制器的芯片上，UCTXIFG和UCRXIFG標志將控制DMA傳輸。I2C發(fā)送中斷操作為了表明UCBxTXBUF已準備好接收另一個字符，發(fā)送器將置位UCTXIFG。如果此時UCTXIE和GIE也已經(jīng)置位，則會產(chǎn)生一個中斷請求。當有字符寫入UCBxTXBUF或接收到NACK信號時，UCTXIFG會自動復(fù)位。當選擇I2C模式且UCSWRST=1時，UCTXIFG置位。PUC后或UCSWRST=1時，UCTXIE復(fù)位。I2C接收中斷操作當接收到一個字節(jié)并將其裝載到UCBxRXBUF時，UCRXIFG中斷標志置位。如果此時UCRXIE和GIE都置位，將產(chǎn)生一個中斷請求。PUC后或UCSWRST=1時，UCRXIFG和UCTXIE復(fù)位。對UCxRXBUF進行讀操作之后，UCRXIFG會自動復(fù)位。I2C模式下可用的USCI寄存器名稱描述訪問復(fù)位值寄存器訪問UCBxCTLW0USCI_Bx控制字0讀/寫0101h字UCBxBRWUSCI_Bx波特率控制字讀/寫0000h字UCBxSTATUSCI_Bx狀態(tài)寄存器讀/寫00h字節(jié)UCBxRXBUFUSCI_Bx接收緩存讀/寫00h字節(jié)UCBxTXBUFUSCI_Bx發(fā)送緩存讀/寫00h字節(jié)UCBxI2COAUSCI_BxI2C本機地址

讀/寫0000h字UCBxI2CSAUSCI_BxI2C從機地址讀/寫0000h字UCBxICTLUSCI_Bx中斷控制讀/寫0200h字UCBxIEUSCI_Bx中斷使能讀/寫00h字節(jié)UCBxIFGUSCI_Bx中斷標志讀/寫02h字節(jié)UCBxIVUSCI_Bx中斷向量讀0000h字USCI_Bx控制寄存器0（UCBxCTL0）UCA10Bit7本機地址模式選擇07位本機地址模式10位本機地址模式UCSLA10Bit6從機地址模式選擇7位從機地址模式10位從機地址模式UCMMBit5多主機環(huán)境的選擇0單主機環(huán)境。該系統(tǒng)內(nèi)沒有別的主機。禁止地址比較單元。1多主機環(huán)境。UCMSTBit3主機模式選擇。當主機在多主機環(huán)境下丟失仲裁時（UCMM=1），UCMST自動復(fù)位，模塊作為從機操作。0從機模式1主機模式UCMODExBits2-1USCI模式。當UCSYNC=1時，UCMODEx位選擇同步模式。003線SPI01四線SPI（如果UCxSTE=1，使能主/從機)10四線SPI（如果UCxSTE=0，使能主/從機)11I2C模式UCYNCBit0使能同步模式。0異步模式1同步模式USCI_Bx控制寄存器1（UCBxCTL1）UCSSELxBits7-6USCI時鐘源選擇。這些位選擇BRCLK時鐘源。00UCLKI01ACLK10SMCLK11SMCLKUCTRBit4發(fā)送/接收。0接收1發(fā)送UCTXNACKBit3發(fā)送NACK。當NACK發(fā)送完畢后，UCTXNACK自動清零。0正常應(yīng)答1產(chǎn)生NACK信號UCTXSTPBit2在主模式下發(fā)送STOP條件。在從模式下忽略該位。在主接收模式下，NACK信號在STOP條件前。在產(chǎn)生STOP條件后，UCTXSTP自動清零。

0無STOP條件產(chǎn)生1產(chǎn)生STOP條件UCTXSTTBit1在主模式下發(fā)送START條件。在從模式下忽略該位。在主接收模式下，NACK信號在重復(fù)START條件之前。發(fā)送START條件和地址信息后，UCTXSTT自動清零。0不產(chǎn)生START條件1產(chǎn)生START條件UCSWRSTBit0使能軟件復(fù)位。0禁止。USCI復(fù)位釋放。1使能。USCI保持在復(fù)位狀態(tài)。程序流程圖TXISR判斷是否發(fā)送完數(shù)組中所有數(shù)據(jù)初始化I2C模塊初始化發(fā)送數(shù)組TXData[]進入無限循環(huán)，設(shè)置要發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送起始條件指針加1，繼續(xù)發(fā)送發(fā)送STOP條件主機ISR初始化I2C模塊判斷發(fā)送緩沖是否為空，為空說明上次發(fā)送完畢本次接收到的數(shù)據(jù)賦值給指針指向的變量從機判斷STOP條件是否發(fā)送，若否，則等待NY主從機接口電路圖主機模式——配置I2C模塊設(shè)置P8.5(SDA)P8.6(SCL)為外設(shè)功能，輸出使能軟件復(fù)位I2C主機，同步模式設(shè)置波特率主模式初始化流程voidmain(void){ WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; P8SEL|=BIT5+BIT6; P8DIR|=BIT5+BIT6; UCB1CTL1|=UCSWRST; UCB1CTL0=UCMST+UCMODE_3+UCSYNC; UCB1CTL1=UCSSEL_2+UCSWRST; UCB1BR0=12; UCB1BR1=0; UCB1I2CSA=0x48; UCB1CTL1&=~UCSWRST; UCB1IE|=UCTXIE;}初始化代碼使用SMCLK，保持軟件復(fù)位設(shè)置從機地址清除軟件復(fù)位，恢復(fù)運行使能發(fā)送中斷主機——循環(huán)while(1){//Delayrequiredbetweentransactionfor(i=0;i<10;i++);//TXarraystartaddressPTxData=(unsignedchar*)TxData;TXByteCtr=sizeofTxData;

//I2CTX,startconditionUCB0CTL1|=UCTR+UCTXSTT;//EnterLPM0,enableinterrupts__bis_SR_register(LPM0_bits+GIE);__no_operation();

//Ensurestopconditiongotsentwhile(UCB0CTL1&UCTXSTP);}主機——發(fā)送中斷#pragmavector=USCI_B0_VECTOR__interruptvoidUSCI_B0_ISR(void){switch(__even_in_range(UCB0IV,12)){…case12://Vector12:TXIFGif(TXByteCtr)//CheckTXbytecounter{UCB0TXBUF=*PTxData++;//LoadTXbufferTXByteCtr--;//DecrementTXbytecounter}else{UCB0CTL1|=UCTXSTP;//I2CstopconditionUCB0IFG&=~UCTXIFG;//ClearUSCI_B0TXintflag__bic_SR_register_on_exit(LPM0_bits);//ExitLPM0}…}}MSP430在該模式下作為主控器，向從機發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流向如下圖所示：MSP430（主）I2C應(yīng)用示例——主機模式I2C應(yīng)用示例——主機模式主模式數(shù)據(jù)發(fā)送的時序格式S從器件地址WA數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)…A/AP起始位，用于指示傳輸?shù)拈_始。結(jié)束位，用于指示傳輸?shù)慕Y(jié)束。第一字節(jié)的前七位包含接收器件的從地址，第8位表示為寫操作。每發(fā)送完一個字節(jié)數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的器件就發(fā)送一個應(yīng)答位每發(fā)送完一個字節(jié)數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的器件就發(fā)送一個應(yīng)答位每發(fā)送完一個字節(jié)數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的器件就發(fā)送一個應(yīng)答位每發(fā)送完一個字節(jié)數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的器件就發(fā)送一個應(yīng)答位I2C應(yīng)用示例——主機模式主模式數(shù)據(jù)發(fā)送的時序格式S從器件地址WA數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)…A/AP

(1)(2)(3)(3)(4)通過軟件置位UCTR和UCTXSTT進入I2C主發(fā)送模式，I2C邏輯在總線空閑后立即發(fā)送一個起始信號；在起始信號發(fā)送結(jié)束后，將從機地址和寫操作位裝入UCB0TXBUF

，UCTXIFG置位，進入中斷；當從機地址和W位發(fā)送結(jié)束并收到應(yīng)答位(A)后，UCTXIFG位再次置位。此時將要發(fā)送的數(shù)據(jù)裝入UCTXIFG，開始發(fā)送數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)正確發(fā)送后，

UCTXIFG置位。此時如果要結(jié)束本次操作，那么置位UCTXSTT位，發(fā)送結(jié)束信號。從機——配置I2C模塊//EnableSWresetUCB0CTL1|=UCSWRST;//I2CSlave,synchronousmodeUCB0CTL0=UCMODE_3+UCSYNC;//OwnAddressis048hUCB0I2COA=0x48;//ClearSWreset,resumeoperationUCB0CTL1&=~UCSWRST;

//EnableSTT,STP&RXinterrupt

UCB0IE|=UCSTPIE+UCSTTIE+UCRXIE;從機循環(huán)while(1){//StartofRXbufferPRxData=(unsignedchar*)RxBuffer;//ClearRXbytecountRXByteCtr=0;//EnterLPM0,enableinterrupts，RemaininLPM0untilmasterfinishesTX__bis_SR_register(LPM0_bits+GIE);//Setbreakpoint>>here<<andread

__no_operation();}從機——中斷#pragmavector=USCI_B0_VECTOR__interruptvoidUSCI_B0_ISR(void){switch(__even_in_range(UCB0IV,12)){…case6://Vector6:STTIFGUCB0IFG&=~UCSTTIFG;break;case8://Vector8:STPIFGUCB0IFG&=~UCSTPIFG;if(RXByteCtr)//CheckRXbytecounter__bic_SR_register_on_exit(LPM0_bits);break;case10://Vector10:RXIFG*PRxData++=UCB0RXBUF;//GetRX'dbyteintobufferRXByteCtr++;break;…}}主機——模塊配置——庫//InitializeMasterI2C_masterInit(__MSP430_BASEADDRESS_USCI_B0__,I2C_CLOCKSOURCE_SMCLK,UCS_getSMCLK(__MSP430_BASEADDRESS_UCS__),I2C_SET_DATA_RATE_400KBPS);//SpecifyslaveaddressI2C_setSlaveAddress(__MSP430_BASEADDRESS_USCI_B0__,SLAVE_ADDRESS);//SetTransmitmodeI2C_setMode(__MSP430_BASEADDRESS_USCI_B0__,I2C_TRANSMIT_MODE);//EnableI2CModuletostartoperationsI2C_enable(__MSP430_BASEADDRESS_USCI_B0__);主機主循環(huán)——庫while(1){//EnabletransmitInterruptI2C_enableInterrupt(__MSP430_BASEADDRESS_USCI_B0__,I2C_TRANSMIT_INTERRUPT);//Delaybetweeneachtransaction__delay_cycles(50);

//LoadTXbytecountertransmitCounter=1;//InitiatestartandsendfirstcharacterI2C_masterMultiByteSendStart(__MSP430_BASEADDRESS_USCI_B0__,transmitData[0]);//EnterLPM0withinterruptsenabled__bis_SR_register(LPM0_bits+GIE);