I2C 串行總線的組成及工作原理

1   I2C串行總線的組成及工作原理

• 采用串行總線技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時(shí)，系統(tǒng)的更改和擴(kuò)充極為容易。

• 常用的串行擴(kuò)展總線有： I2C （Inter IC BUS）總線、單總線（1－WIRE BUS）、SPI（Serial Peripheral Interface）總線及Microwire/PLUS等。

1.1  I2C串行總線概述

I2C總線是一種串行總線，是具備多主機(jī)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(hào)線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。

I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，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(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。

每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動(dòng)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(tái)主機(jī)控制總線。在80C51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的串行總線擴(kuò)展中，我們常以80C51單片機(jī)為主機(jī)，其它接口器件為從機(jī)的單主機(jī)情況。

1.2  I2C總線的數(shù)據(jù)傳送

一、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定

I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)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。

二、起始和終止信號(hào)

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(hào)；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(hào)。 

起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)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(cè)到起始和終止信號(hào)。接收器件收到一個(gè)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(wù)等，可能無(wú)法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，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(jìn)行。 

三、數(shù)據(jù)傳送格式

（1）字節(jié)傳送與應(yīng)答

每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。

由于某種原因從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無(wú)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(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無(wú)法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對(duì)無(wú)法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。

（2）數(shù)據(jù)幀格式

    I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)傳送方向位（R/T），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址。在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可有以下組合方式：

a、主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過程中不變：

b、主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即從從機(jī)讀數(shù)據(jù)

c、在傳送過程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號(hào)和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。

注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無(wú)陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。

    A表示應(yīng)答， A非表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)。

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(hào)后的第一個(gè)字節(jié)）。

 （1）尋址字節(jié)的位定義

D7～D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。

• 主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器。
• 從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)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(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。

2  80C51單片機(jī)I2C串行總線器件的接口

2.1 總線數(shù)據(jù)傳送的模擬  

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

一、典型信號(hào)模擬

為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時(shí)序要求。I2C總線的起始信號(hào)、終止信號(hào)、發(fā)送“0”及發(fā)送“1”的模擬時(shí)序

初始化IIC

void init_IIC()

{      SDA=1;

       delay();

       SCL=1;

       delay();

}（1）起始信號(hào)

void start()

{      SDA=1;

       delay();

       SCL=1;

       delay();

       SDA=0;

       delay();

}（2）終止信號(hào)

void stop()

{      SDA=0;

       delay();

       SCL=1;

       delay();

       SDA=1;

       delay();

}

（3）應(yīng)答信號(hào)

void ack()

{      uchar i=0;

       SCL=1;

       delay();

       while((SDA==1)&&(i<250))      {

              i++;

       }

       SCL=0;

       delay();

}

（4）非應(yīng)答信號(hào)

void noack()

{      SDA=1;

       delay();

       SCL=1;

       delay();

       SCL=0;

       delay();

}

（5）寫一個(gè)字節(jié)

void Write_Byte(uchar dat)

{      uchar i;

       for(i=0;i<8;i++)

       {      SCL=0;

              delay();

              if(dat&0x80)

              {SDA=1; }

              else

              {SDA=0; }

              dat=dat<<1;

              SCL=1;

              delay();

       }

       SCL=0;

       delay();

       SDA=1;

       delay(); 

}

（6）讀一個(gè)字節(jié)

uchar Read_Byte()

{

       uchar i,dat;

       SCL=0;

       delay();

       SDA=1;

       delay();

       for(i=0;i<8;i++)

       {

              SCL=1;

              delay();

              dat=dat<<1;

              if(SDA)

              {

                     dat++;

              }

              SCL=0;

              delay();

       }

       return dat;

}

（7）寫EEPROM

void Write_IIC(uchar add,uchar dat)

{      start();

       Write_Byte(0xa0);

       ack();

       Write_Byte(add);

       ack();

       Write_Byte(dat);

       ack();

       stop();

}

（8）讀EEPROM

uchar Read_IIC(uchar add)

{      uchar temp;

       start();

       Write_Byte(0xa0);

       ack();

       Write_Byte(add);

       ack();

       start();

       Write_Byte(0xa1);

       ack();

       temp=Read_Byte();

       noack();

       stop();

       return temp;

}

（9）8uS延時(shí)

void delay()

{

       _nop_();_nop_();

       _nop_();_nop_();

       _nop_();_nop_();

       _nop_();_nop_();

}