51單片機(jī)實(shí)戰(zhàn)指南-I2C總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)

I2C總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)51單片機(jī)實(shí)戰(zhàn)指南本章內(nèi)容：2I2C總線(xiàn)概述1單片機(jī)與EEPROM編程實(shí)例29.1.1I2C總線(xiàn)認(rèn)識(shí)與UART的比較UART屬于異步通信，通信雙方?jīng)]有同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。而I2C是一種雙向二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)，屬于同步通信。UART通信多用于板間通信，比如單片機(jī)和電腦，這個(gè)設(shè)備和另外一個(gè)設(shè)備之間的通信。而I2C多用于板內(nèi)通信。有2根接口線(xiàn)一根是串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL，負(fù)責(zé)收發(fā)雙方的時(shí)鐘節(jié)拍；另一根是串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。器件掛在總線(xiàn)上，每個(gè)器件都有唯一的地址，器件和器件之間均可進(jìn)行信息傳送。支持多主和主從兩種方式，通常為主從工作方式；在主從方式中，主器件啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)出停止信號(hào)；9.1.2I2C總線(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)圖SCL和SDA均需接上拉電阻，開(kāi)發(fā)板上接的是4.7kΩ的上拉電阻。總線(xiàn)在空閑的時(shí)候保持高電平；連接到總線(xiàn)上的任一器件輸出低電平，都將使總線(xiàn)的信號(hào)拉低，相當(dāng)于“線(xiàn)與”的關(guān)系。（數(shù)字電路中門(mén)電路知識(shí)）9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序I2C總線(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線(xiàn)上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線(xiàn)為低電平期間，數(shù)據(jù)線(xiàn)上的電平狀態(tài)才允許變化。由起始信號(hào)、終止信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、以及有效數(shù)據(jù)字節(jié)構(gòu)成。起始和終止信號(hào)都由主控制器發(fā)出，起始信號(hào)后，總線(xiàn)就處于被占用的狀態(tài)；當(dāng)終止信號(hào)出現(xiàn)后，總線(xiàn)才重新處于空閑狀態(tài)。9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序1.發(fā)送起始信號(hào)UART通信是從一直持續(xù)的高電平出現(xiàn)一個(gè)低電平標(biāo)志起始位；而I2C通信的起始信號(hào)的定義是SCL為高電平期間，SDA由高電平向低電平變化產(chǎn)生一個(gè)下降沿，表示起始信號(hào)，如圖8-2中的Start部分所示。9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序2.發(fā)送地址信號(hào)高7位為地址位，器件地址碼高4位（D7~D4）為AAAA，是器件的類(lèi)型，具有固定的定義，如EERROM為1010。中間的3位（D3~D1）為BBB，是片選信號(hào)，同類(lèi)型的器件最多可以在I2C總線(xiàn)上掛載8個(gè)。最后一位D0位為讀寫(xiě)控制位。位D7D6D5D4D3D2D1D0說(shuō)明AAAABBB9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序3.發(fā)送應(yīng)答信號(hào)I2C總線(xiàn)協(xié)議規(guī)定，每傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)（含地址和命令字）后，都要有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，以確定傳輸數(shù)據(jù)是否被對(duì)方收到。應(yīng)答信號(hào)由接收設(shè)備產(chǎn)生，在SCL的高電平期間，接收設(shè)備將SDA拉為低電平，表示數(shù)據(jù)傳輸成功。9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序4.數(shù)據(jù)傳輸I2C沒(méi)有固定波特率（UART有），但是有時(shí)序的要求，要求當(dāng)SCL在低電平的時(shí)候，SDA允許變化，也就是說(shuō)，發(fā)送方必須先保持SCL是低電平，才可以改變數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA，輸出要發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)的一位。9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序5.發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)當(dāng)主機(jī)為接收設(shè)備時(shí)，主機(jī)對(duì)最后一個(gè)字節(jié)不應(yīng)答（不拉低SDA），以向發(fā)送設(shè)備表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序6.發(fā)送停止信號(hào)UART通信的停止位是一位固定的高電平信號(hào)；而I2C通信停止信號(hào)的定義是SCL為高電平期間，SDA由低電平向高電平變化產(chǎn)生一個(gè)上升沿，表示結(jié)束信號(hào)，如圖8-2中的Stop部分所示。9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序總線(xiàn)的一次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，可以有以下幾種組合方式：1)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸方向在整個(gè)傳輸過(guò)程中不變；2)主機(jī)在發(fā)送第一個(gè)字節(jié)后，立即從從機(jī)讀數(shù)據(jù)。3)在傳送過(guò)程中，當(dāng)需要改變傳輸方向時(shí)，需將起始信號(hào)和從機(jī)地址各重復(fù)一次，而兩次讀/寫(xiě)方向位相反。9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序這里先定義了一個(gè)延時(shí)約4μs的宏I2cDelay()，代碼如下：#defineI2cDelay(){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}這里用到了庫(kù)函數(shù)_nop_()，可以進(jìn)行精確延時(shí)，1個(gè)_nop_()函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)機(jī)器周期，這個(gè)庫(kù)函數(shù)包含在intrins.h這個(gè)文件中，如果需要使用這個(gè)庫(kù)函數(shù)，只需要在程序的最開(kāi)始，加入#include<intrins.h>即可。、9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序-產(chǎn)生起始信號(hào)在SCL時(shí)鐘信號(hào)在高電平期間SDA信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，起始之后SDA和SCL都為0voidI2cStart(){ SDA=1;//首先保證SDA和SCL都是高電平 SCL=1; I2cDelay(); SDA=0; //先拉低SDA I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL I2cDelay(); }9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序-產(chǎn)生停止信號(hào)在SCL時(shí)鐘信號(hào)高電平期間SDA信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，結(jié)束之后保持SDA和SCL都為1，表示總線(xiàn)空閑。voidI2cStop(){ SDA=0; //首先保證SDA和SCL都是低電平 SCL=0; I2cDelay(); SCL=1; //先拉高SCL I2cDelay(); SDA=1; //再拉高SDA I2cDelay(); }9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序-總線(xiàn)寫(xiě)操作bitI2cWriteByte(unsignedchardat){ unsignedchari=0; bitack; for(i=0;i<8;i++) //要發(fā)送8位，從最高位開(kāi)始 { //起始信號(hào)之后SCL=0，所以可以直接改變SDA信號(hào) SDA=dat>>7; dat=dat<<1; I2cDelay(); SCL=1; //拉高SCL I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL，完成一個(gè)位周期 I2cDelay(); }9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序-總線(xiàn)寫(xiě)操作

SDA=1;//8位數(shù)據(jù)發(fā)送完以后主機(jī)釋放SDA，以檢測(cè)從機(jī)應(yīng)答 I2cDelay(); SCL=1; //拉高SCL ack=SDA; //讀取此時(shí)的SDA值，即為從機(jī)的應(yīng)答值 I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL完成應(yīng)答位，并保持住總線(xiàn) return~ack; //應(yīng)答位取反以符合邏輯習(xí)慣，0：不存在

//或忙或失敗，1：存在且空閑或?qū)懭氤晒 9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序-總線(xiàn)讀操作unsignedcharI2cReadByte(bitACK){ unsignedchari=0,dat=0; SDA=1; //首先確保主機(jī)釋放SDA I2cDelay(); for(i=0;i<8;i++) //從高位到低位接收8位 { SCL=1; I2cDelay(); dat<<=1; dat|=SDA; I2cDelay(); SCL=0; I2cDelay(); }9.1.3I2C總線(xiàn)時(shí)序-總線(xiàn)讀操作

SDA=ack; //8位數(shù)據(jù)發(fā)送完以后,發(fā)送應(yīng)答（ack為0）或非 //應(yīng)答信號(hào)（ack為1） I2cDelay(); SCL=1; //拉高SCL I2cDelay(); SCL=0; //再拉低SCL完成應(yīng)答或非應(yīng)答位，并保持住總線(xiàn) returndat;

}9.2

單片機(jī)與EEPROM編程實(shí)例開(kāi)發(fā)板上使用的這個(gè)器件是ATMEL公司的ATC系列的EEPROM，主要型號(hào)有AT24C01/02/04/08/16等，后面兩位數(shù)字的單位是Kbit，因此AT24C02，是一個(gè)容量大小為2Kbits，也就是256個(gè)字節(jié)的EEPROMAT24C02是一個(gè)基于I2C通信協(xié)議的器件，我們通過(guò)51單片機(jī)對(duì)I2C總線(xiàn)時(shí)序進(jìn)行模擬后，就可以對(duì)EEPROM訪(fǎng)問(wèn)了。二者并沒(méi)有必然的聯(lián)系，EEPROM可以用其它接口，I2C也可以用在其它很多器件上。9.2.1

EEPROMAT24C02引腳與尋址介紹9.2.1

EEPROMAT24C02引腳與尋址介紹引腳名稱(chēng)引腳功能A2，A1，A0編程的地址輸入端GND電源地SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端SCL串行時(shí)鐘輸入端WP寫(xiě)輸入保護(hù)端，用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)。當(dāng)其為低電平時(shí)，可以對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行正常的讀寫(xiě)操作；當(dāng)其為高電平時(shí)，存儲(chǔ)器具有寫(xiě)保護(hù)功能，但讀操作不受影響。VCC電源正端9.2.1

EEPROMAT24C02引腳與尋址介紹3.存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)與尋址AT24C02的存儲(chǔ)容量為2Kb，內(nèi)部分成32頁(yè)，每頁(yè)8字節(jié)，共256字節(jié)，操作時(shí)有兩種尋址方式：芯片尋址和片內(nèi)存儲(chǔ)單元尋址。1)芯片尋址AT24C02的芯片地址為1010，其地址控制字格式為1010A2A1A0。其中A2，A1，A0為可編程的地址選擇位，A2，A1，A0引腳接高、低電平后得到確定的三位編碼，與1010組合成7位編碼，即該器件的地址碼。為芯片讀寫(xiě)控制位，該位為0，表示對(duì)芯片進(jìn)行寫(xiě)操作；該位為1，表示對(duì)芯片進(jìn)行讀操作。2)片內(nèi)存儲(chǔ)單元尋址芯片內(nèi)可尋址內(nèi)部256字節(jié)的任何一個(gè)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，其地址空間為00~FF。9.2.2讀寫(xiě)操作時(shí)序-單字節(jié)寫(xiě)入1)首先是I2C的起始信號(hào)，接著跟上首字節(jié)，也就是我們前邊講的I2C的器件地址，并且在讀寫(xiě)方向上選擇“寫(xiě)”操作。2)發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址。24C02一共256個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間，地址從0x00～0xFF。3)發(fā)送要存儲(chǔ)的8位數(shù)據(jù)。注意在寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，EEPROM每個(gè)字節(jié)都會(huì)回應(yīng)一個(gè)“應(yīng)答位0”，來(lái)告訴我們寫(xiě)EEPROM數(shù)據(jù)成功，如果沒(méi)有回應(yīng)答位，說(shuō)明寫(xiě)入不成功。9.2.2讀寫(xiě)操作時(shí)序-頁(yè)寫(xiě)入方式頁(yè)面寫(xiě)入與字節(jié)寫(xiě)入相同，但是單片機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后不發(fā)送停止位。相反，在EEPROM確認(rèn)收到第一個(gè)數(shù)據(jù)字后，單片機(jī)還可以發(fā)送多達(dá)7個(gè)字節(jié)（2401/2402）。每個(gè)數(shù)據(jù)字收到后，EEPROM會(huì)給出應(yīng)答。若收到非應(yīng)答，單片機(jī)必須終止頁(yè)面寫(xiě)入。每成功寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)，EEPROM存儲(chǔ)空間的地址就會(huì)自動(dòng)加1，故寫(xiě)入一頁(yè)以為的數(shù)據(jù)字時(shí)，只需輸入首地址。如果寫(xiě)到此頁(yè)的最后一個(gè)地址，主器件再發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)入到該頁(yè)的首地址，也就會(huì)覆蓋掉原來(lái)的數(shù)據(jù)，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為“翻轉(zhuǎn)”（RollOver）。解決“翻轉(zhuǎn)”的方法是在寫(xiě)完8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，將下一頁(yè)的首地址重新寫(xiě)到總線(xiàn)上。9.2.2讀寫(xiě)操作時(shí)序-指定地址讀1)首先是I2C的起始信號(hào)，接著跟上首字節(jié)，也就是我們前邊講的I2C的器件地址，并且在讀寫(xiě)方向上選擇“寫(xiě)”操作。注意，這一步依然是“寫(xiě)”，我們選擇寫(xiě)操作，是為了把所要讀的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址先寫(xiě)進(jìn)去，告訴EEPROM我們要讀取哪個(gè)地址的數(shù)據(jù)。2)發(fā)送要讀取的數(shù)據(jù)的地址，注意是地址而非存在EEPROM中的數(shù)據(jù)。3)重新發(fā)送I2C起始信號(hào)和器件地址，并且在方向位選擇“讀”操作。前三步中，每一個(gè)字節(jié)實(shí)際上都是在“寫(xiě)”，所以每一個(gè)字節(jié)EEPROM都會(huì)回應(yīng)一個(gè)“應(yīng)答位0”。4)讀取從器件發(fā)回的數(shù)據(jù)，讀一個(gè)字節(jié)，并發(fā)送非應(yīng)答位ACK（1）9.2.3.單字節(jié)讀寫(xiě)實(shí)戰(zhàn)開(kāi)發(fā)板上單片機(jī)與AT24C02硬件連接如圖9-9所示，其中A2，A1，A0與WP都接地，SDA接單片機(jī)P3.6引腳，SCL接單片機(jī)P3.7引腳，SDA與SCL分別于Vcc之間接一4.7kΩ的上拉電阻，因?yàn)锳T24C02總線(xiàn)內(nèi)部是漏極開(kāi)漏形式，不接上拉電阻無(wú)法確定總線(xiàn)空閑時(shí)的電平狀態(tài)。其中SDA接單片機(jī)P3.6引腳，SCL接P3.7引腳9.2.3.單字節(jié)讀寫(xiě)實(shí)戰(zhàn)【例9.2.1】通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送1位十進(jìn)制數(shù)據(jù)（0-9），單片機(jī)接收到以后顯示在數(shù)碼上，并加1后回傳到電腦端串口調(diào)試助手，同時(shí)保存在中，這樣下次開(kāi)機(jī)后，單片機(jī)從出最后一次保存在AT24C02中的數(shù)據(jù)，并顯示在數(shù)碼管上。其中SDA接單片機(jī)P3.6引腳，SCL接P3.7引腳9.2.3.單字節(jié)讀寫(xiě)實(shí)戰(zhàn)遵循模塊化編程的原則，考慮到I2C接口還要和A/D和D/A轉(zhuǎn)換器PCF8591通信，我們沒(méi)有把EEPROM的讀寫(xiě)函數(shù)一起放入i2c.c文件中，而是單獨(dú)寫(xiě)了一個(gè)EEPROM.c文件，包括它的頭文件EEPROM.h文件。封裝了2個(gè)函數(shù)：向AT24c02的一個(gè)地址寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)voidAt24c02WriteByte(unsignedcharaddr,unsignedchardat)讀取AT24c02的一個(gè)地址的一個(gè)數(shù)據(jù)*unsignedcharAt24c02ReadByte(unsignedcharaddr)9.2.3.單字節(jié)讀寫(xiě)實(shí)戰(zhàn)/*向AT24c02的一個(gè)地址寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)*/voidAt24c02WriteByte(unsignedcharaddr,unsignedchardat){ I2cStart(); I2cWriteByte(0xA0);

//發(fā)送寫(xiě)器件地址 I2cWriteByte(addr);

//發(fā)送要寫(xiě)入內(nèi)存地址 I2cWriteByte(dat);

//發(fā)送數(shù)據(jù) I2cStop();}9.2.3.單字節(jié)讀寫(xiě)實(shí)戰(zhàn)/*讀取AT24c02的一個(gè)地址的一個(gè)數(shù)據(jù)*/unsignedcharAt24c02ReadByte(unsignedcharaddr){ unsignedcharnum; I2cStart(); I2cWriteByte(0xA0);

//發(fā)送寫(xiě)器件地址 I2cWriteByte(addr);

//發(fā)送要讀取的地址 I2cStart(); I2cWriteByte(0xA1);

//發(fā)送讀器件地址 num=I2cReadByte(1);

//讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送非應(yīng)答信號(hào) I2cStop(); returnnum; }9