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I2C總線是Philips公司最先推出的一種雙向數(shù)據(jù)傳輸總線，其僅使用兩根連線便可以實(shí)現(xiàn)全雙工同步數(shù)據(jù)傳送。在I2C總線中，一條為串行數(shù)據(jù)線（SDA），另一條為一條串行時(shí)鐘線（SCL）。I2C總線占用引腳少，接口協(xié)議簡(jiǎn)單。目前多數(shù)公司均推出了I2C總線接口的各種器件，如存儲(chǔ)器、A/D、D/A、鍵盤、LCD等，大大方便了用戶的選擇。 本章主要介紹了I2C總線的工作原理、尋址方式以及數(shù)據(jù)操作，并重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及相應(yīng)的C51子函數(shù)。最后通過具體的實(shí)例，介紹如何使用在沒有I2C總線接口的單片機(jī)上讀寫具有I2C總線接口的E2PROM存儲(chǔ)器。 1 I2C總線概述 I2C總線采用兩線制，由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成。I2C總線對(duì)數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了嚴(yán)格的定義。 1.1 I2C總線工作原理 典型的I2C總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖所示。I2C總線上可以掛接多個(gè)器件，其中每個(gè)器件必須都支持I2C總線通信協(xié)議。  1.2 I2C總線器件的尋址方式 由于所有器件都通過SCL和SDA連接在I2C總線上，因此，主器件在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前需要通過尋址，選擇需要通信的從器件。I2C總線上所有外圍器件都需要有唯一的7位地址，由器件地址和引腳地址兩部分組成。 器件地址是I2C器件固有的地址編碼，器件出廠時(shí)就已經(jīng)給定，不可更改。 引腳地址是由I2C總線外圍器件的地址引腳（A2，A1，A0）決定，根據(jù)其在電路中接電源正極、接地或懸空的不同，形成不同的地址代碼。 1.3 I2C總線數(shù)據(jù)操作 在I2C總線上，數(shù)據(jù)是伴隨著時(shí)鐘脈沖，一位一位地傳送的，數(shù)據(jù)位由低到高傳送，每位數(shù)據(jù)占一個(gè)時(shí)鐘脈沖。I2C總線上的在時(shí)鐘線SCL高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA的狀態(tài)就表示要傳送的數(shù)據(jù)，高電平為數(shù)據(jù)1，低電平為數(shù)據(jù)0。在數(shù)據(jù)傳送時(shí)，SDA上數(shù)據(jù)的改變?cè)跁r(shí)鐘線為低電平時(shí)完成，而SCL為高電平時(shí)，SDA必須保持穩(wěn)定，否則SDA上的變化會(huì)被當(dāng)作起始或終止信號(hào)而致使數(shù)據(jù)傳輸停止。 1．寫數(shù)據(jù)格式 2．讀數(shù)據(jù)格式 2 I2C總線接口EEPROM存儲(chǔ)器 目前，市場(chǎng)上I2C總線接口器件有多種，例如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘芯片和存儲(chǔ)器等。這里以典型的I2C總線接口的存儲(chǔ)器為例進(jìn)行介紹。 I2C總線接口EEPROM存儲(chǔ)器是一種采用I2C總線接口的串行總線存儲(chǔ)器，這類存儲(chǔ)器具有體積小、引腳少、功耗低、工作電壓范圍寬等特點(diǎn)。目前，Atmel、MicroChip、National等公司均提供各種型號(hào)的I2C總線接口的串行EEPROM存儲(chǔ)器。在單片機(jī)系統(tǒng)中使用較多的EEPROM存儲(chǔ)器是24系列串行EEPROM。其具有型號(hào)多、容量大、支持I2C總線協(xié)議、占用單片機(jī)I/O端口少，芯片擴(kuò)展方便、讀寫簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。  3 C51模擬 I2C總線協(xié)議 在實(shí)際應(yīng)用中，往往遇到所使用的單片機(jī)沒有I2C總線接口，例如典型的 51系列單片機(jī)。為了讓此類單片機(jī)用于操作I2C總線器件的能力，往往需要在程序模擬I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。 這里以典型的51系列單片機(jī)為例，假設(shè)其外接6MHz的晶振，采用P1.0作為時(shí)鐘線SCL，P1.1作為數(shù)據(jù)線SDA。在C51語(yǔ)言的程序中，首先需要聲明SCL和SDA所使用的引腳。其聲明如下所示： sbit SCL=P1^0; sbit SDA=P1^1; 3.1 延時(shí)子函數(shù) 這里給出一個(gè)典型的延時(shí)子函數(shù)。當(dāng)單片機(jī)的工作頻率比較高的時(shí)候，為了保證I2C總線的傳輸速率滿足100kHz或者400kHz的限制，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)處理。用戶可以根據(jù)需要使用。延時(shí)子函數(shù)的程序示例如下： void Delays(unsigned int number) //延時(shí)子程序 { unsigned char temp; for(;number!=0;number--) //循環(huán) { for(temp=0;temp<100;temp++) //空循環(huán) { } } } 3.2 起始信號(hào)子函數(shù) 起始信號(hào)子函數(shù)用于開始I2C總線通信。其中，起始信號(hào)是在時(shí)鐘線SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上高電平向低電平變化的下降沿信號(hào)。起始信號(hào)出現(xiàn)以后，才可以進(jìn)行后續(xù)的I2C總線尋址或數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。起始信?hào)的時(shí)序，如圖所示。在程序中，可以直接為SDA和SCL賦值來實(shí)現(xiàn)起始信號(hào)的時(shí)序。起始信號(hào)子函數(shù)示例如下： void StartI2C() //起始信號(hào)子程序 { SDA=1; Delays(1); //延時(shí)，用于滿足傳輸速率要求 SCL=1; Delays(1); SDA=0; Delays(1); SCL=0; Delays(1); }  3.3 終止信號(hào)子函數(shù) 終止信號(hào)子函數(shù)用于終止I2C總線通信。其中，終止信號(hào)是在時(shí)鐘線SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上低電平到高電平變化的上升沿信號(hào)。終止信號(hào)一出現(xiàn)，所有I2C總線操作都結(jié)束，并釋放總線控制權(quán)。終止信號(hào)的時(shí)序，如圖所示。在程序中，可以直接為SDA和SCL賦值來實(shí)現(xiàn)終止信號(hào)的時(shí)序。終止信號(hào)子函數(shù)示例如下：  3.4 應(yīng)答信號(hào)子函數(shù) 應(yīng)答信號(hào)子函數(shù)用于表明I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。I2C總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)，一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳送完畢后都必須由主器件產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)。主器件在第9個(gè)時(shí)鐘位上釋放數(shù)據(jù)總線SDA，使其處于高電平狀態(tài)，此時(shí)從器件輸出低電平拉低數(shù)據(jù)總線SDA為應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)的時(shí)序，如圖所示。在程序中，可以直接為SDA和SCL賦值來實(shí)現(xiàn)應(yīng)答信號(hào)的時(shí)序。應(yīng)答信號(hào)子函數(shù)示例如下： void AckI2C() //發(fā)送應(yīng)答位子程序 { SDA=0; Delays(1); SCL=1; Delays(1); SCL=0; Delays(1); SDA=1; Delays(1); }  3.5 非應(yīng)答信號(hào)子函數(shù) 非應(yīng)答信號(hào)子函數(shù)用于數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常而無(wú)法完成時(shí)。在一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳送完畢后，在第9個(gè)時(shí)鐘位上從器件輸出高電平為非應(yīng)答信號(hào)。非應(yīng)答信號(hào)的產(chǎn)生有兩種情況。 當(dāng)從器件正在進(jìn)行其他處理而無(wú)法接收總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，從器件不產(chǎn)生應(yīng)答，此時(shí)從器件釋放總線，將數(shù)據(jù)線SDA置為高電平。這樣，主器件可產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)來終止總線數(shù)據(jù)傳輸。 當(dāng)主器件接收來自從器件的數(shù)據(jù)時(shí)，接收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須給從器件發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，使從器件釋放數(shù)據(jù)總線。這樣，主器件才可以發(fā)送停止信號(hào)，從而終止數(shù)據(jù)傳送。 3.6 應(yīng)答位檢查子函數(shù) 應(yīng)答位檢查子函數(shù)用于主器件檢測(cè)接收的是否為正常的應(yīng)答信號(hào)，以便于判斷數(shù)據(jù)接收是否正常。程序中定義了ErrorBit作為應(yīng)答檢查位，用于數(shù)據(jù)線SDA上的應(yīng)答位檢查結(jié)果，最后通過return語(yǔ)句返回該值。應(yīng)答位檢查子函數(shù)示例如下： bit TestAckI2C() //應(yīng)答位檢查子程序 { bit ErrorBit; SDA=1; Delays(1); SCL=1; Delays(1); ErrorBit=SDA; //讀入SDA上的應(yīng)答狀態(tài) Delays(1); SCL=0; Delays(1); return(ErrorBit); //返回應(yīng)答狀態(tài)，0為應(yīng)答信號(hào)，1為非應(yīng)答信號(hào) } 3.7 單字節(jié)寫子函數(shù) 單字節(jié)寫子函數(shù)用于向從器件寫入單個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。程序中，可以通過for循環(huán)語(yǔ)句，逐位將數(shù)據(jù)發(fā)送到I2C數(shù)據(jù)總線上。該函數(shù)在使用之前，必須先使用起始信號(hào)子函數(shù)啟動(dòng)I2C總線數(shù)據(jù)傳輸。單字節(jié)寫子函數(shù)的流程圖，如圖16.7所示。單字節(jié)寫子函數(shù)示例如下： bit Write8BitI2C(unsigned char input) // input為待發(fā)送的數(shù)據(jù) { unsigned char temp; for(temp=8;temp!=0;temp--) //循環(huán)移位，逐位發(fā)送數(shù)據(jù) { SDA=(bit)(input&0x80); //取數(shù)據(jù)的最高位 Delays(1); SCL=1; Delays(1); SCL=0; Delays(1); input=input<<1; //左移一位 } return 1; } 3.8 單字節(jié)讀子函數(shù) 單字節(jié)讀子函數(shù)用于從I2C數(shù)據(jù)總線讀入單個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。程序中，可以通過for循環(huán)語(yǔ)句，逐位將數(shù)據(jù)讀入。該函數(shù)在使用之前，同樣需要先使用起始信號(hào)子函數(shù)啟動(dòng)I2C總線數(shù)據(jù)傳輸。單字節(jié)讀子函數(shù)的流程圖，如圖所示。單字節(jié)讀子函數(shù)示例如下： 3.9 多字節(jié)寫子函數(shù) 多字節(jié)寫子函數(shù)用于主器件發(fā)送多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。首先發(fā)送起始位，接著是尋址字節(jié)，然后是數(shù)據(jù)的所要存入單元的首地址，外圍器件此時(shí)產(chǎn)生正確的應(yīng)答后，主器件便將開始多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸。多字節(jié)寫子函數(shù)的流程圖，如圖所示。多字節(jié)寫子函數(shù)示例如下： 3.10 多字節(jié)讀子函數(shù) 多字節(jié)讀子函數(shù)用于主器件從SDA線上讀取多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。在讀多個(gè)字節(jié)的操作中，除了發(fā)送尋址字節(jié)外，還要發(fā)送器件的子地址。因此，在讀多個(gè)字節(jié)操作前，要進(jìn)行一個(gè)字節(jié)的寫操作，然后重新開始讀操作，將從器件內(nèi)的字節(jié)數(shù)據(jù)讀出。多字節(jié)寫讀函數(shù)的流程圖，如圖16.10所示。多字節(jié)寫讀函數(shù)示例如下： 4 C51讀寫EEPROM實(shí)例 I2C總線接口器件以體積小，占用引腳少，接口簡(jiǎn)單，讀寫操作方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。目前Philips、Atmel、Maxim以及其他集成電路制造商推出了很多基于I2C總線的單片機(jī)和外圍器件，如24系列E2PROM、串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302、USB2.0芯片CY7C68013A等。 這里以普通的51系列單片機(jī)為例，通過實(shí)例介紹如何使用C51模擬I2C總線接口來讀寫I2C總線的EEPROM存儲(chǔ)器。 4.1 電路設(shè)計(jì) 這里給出單片機(jī)AT89S51讀寫I2C總線接口的AT24C08存儲(chǔ)器的電路原理圖圖，該電路圖中所使用的元器件的參數(shù)及數(shù)量，如表所示。 4.2 程序設(shè)計(jì) 這里采用C51語(yǔ)言在Keil μVison3集成開發(fā)環(huán)境中編寫程序。 本程序的功能是利用單片機(jī)的P1.0、P1.1作為I2C串行總線的SCL、SDA接口，向AT24C08寫入10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后再將寫入的數(shù)據(jù)讀出，并比較讀寫的數(shù)據(jù)是否完全一致。如果數(shù)據(jù)的讀寫一致，則點(diǎn)亮LED，表示寫入正確；否則熄滅LED報(bào)警。 4.3 仿真分析 為了加深對(duì)I2C串行總線協(xié)議的理解，可以在Keil μVison3集成開發(fā)環(huán)境中對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行仿真。通過信號(hào)仿真，可以查看I2C總線中起始信號(hào)、終止信號(hào)以及數(shù)據(jù)讀寫的時(shí)序。具體操作步驟如下 |
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