I2C總線器件應(yīng)用實(shí)例

1、 項目4 I2C總線器件應(yīng)用實(shí)例總線器件應(yīng)用實(shí)例 4.1 I2C總線簡介總線簡介 I2C(InterIntegrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于上世紀(jì)80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。 I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主

2、控(multimastering)，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當(dāng)然，在任何時間點(diǎn)上只能有一個主控。4.2 I2C總線的構(gòu)成和信號類型總線的構(gòu)成和信號類型1）I2C總線的構(gòu)成 I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps，采用7位尋址，但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率和應(yīng)用功能的迅速增加，I2C總線也增強(qiáng)為快速模式（400Kbits/s）和10位尋址以滿足更高速度和更大尋址空間的需求。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通

3、各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址。 在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。 2）I2C總線的信號類型 I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：起始信號、終止信號和應(yīng)答信號。 起始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。 終止信號：SC

4、L為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。 圖圖4-1 I2C總線開始和結(jié)束信號定義總線開始和結(jié)束信號定義 應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。如下圖所示圖圖4-2 I2C總線應(yīng)答信號定義總線應(yīng)答信號定義3）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，時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高

5、電平或低電平狀態(tài)才允許變化。如下圖所示圖圖4-3 數(shù)據(jù)的傳送過程數(shù)據(jù)的傳送過程4）I2C總線上一次典型的工作流程 （1）開始：發(fā)送開始信號，表明傳輸開始。 （2）發(fā)送地址：主設(shè)備發(fā)送地址信息，包含7位的從設(shè)備地址和1位的指示位（表明讀或者寫，即數(shù)據(jù)流的方向）。 （3）發(fā)送數(shù)據(jù)：根據(jù)指示位，數(shù)據(jù)在主設(shè)備和從設(shè)備之間傳輸。數(shù)據(jù)一般以8位傳輸，最重要的位放在前面；具體能傳輸多少量的數(shù)據(jù)并沒有限制。接收器上用一位的ACK（應(yīng)答信號）表明每一個字節(jié)都收到了。傳輸可以被終止和重新開始。 （4）停止：發(fā)送停止信號，結(jié)束傳輸。 目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNA

6、L的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。4.3 I2C 總線接口電路總線接口電路 I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)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(guān)系。圖圖4-4 I2C總線接口電路結(jié)構(gòu)總線接口電路結(jié)構(gòu)通過線“與”，I2C總線的外圍擴(kuò)展示意圖如下圖所示，它給出了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常使用的I2C總線外圍通用器件。圖圖 4-5 I2C總線接口總線接口 4.4 I2C總線的傳輸協(xié)議與數(shù)據(jù)傳

7、送總線的傳輸協(xié)議與數(shù)據(jù)傳送 I2C規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)?？偩€必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。如下圖所示圖圖4-6 串行總線上的數(shù)據(jù)傳送順序串行總線上的數(shù)據(jù)傳送順序 1） 控制字節(jié) 在起始條件之后，必須是從器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1

8、010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時為讀操作，為0時為寫操作。從器件的控制字節(jié)如下圖所示圖圖4-7 從器件的控制字節(jié)從器件的控制字節(jié)2） 寫操作 寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種，在頁面寫方式下要根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同而有所不同。關(guān)于頁面寫的地址、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送的時序如下圖所示?；疑糠钟?0C51發(fā)送，白色部分由24CXX發(fā)送。圖圖4-8 頁面寫地址、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送的時序圖頁面寫地址、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送的時序圖說明: (1) 其中S表示開始信號，A是應(yīng)答信號，P是停止信號。 (2) SLAw是從器件的控制地址（最后一位為0，表示操作）； (3) SADR是要寫入頁面的首地址。

9、3） 讀操作 讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。下圖給出的是順序讀的時序圖。應(yīng)當(dāng)注意的是：最后一個讀操作的第9個時鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作，主機(jī)必須在第9個周期間發(fā)出停止條件或者在第9個時鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。圖圖4-9 順序讀時序圖順序讀時序圖說明： (1) 其中S表示開始信號，A是應(yīng)答信號，P是停止信號。 (2) SLAw是從器件的控制地址（最后一位為0，表示寫操作）； (3) SLAR是從器件的控制地址（最后一位為1，表示讀操 作）； (4) SADR是讀出單元的首地址。在I2C總線的應(yīng)用中應(yīng)注意的事項總結(jié)為以下幾點(diǎn) : （1）嚴(yán)格按照

10、時序圖的要求進(jìn)行操作， （2）若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機(jī)接口連接，可以不外加上拉電阻。 （3） 程序中為配合相應(yīng)的傳輸速率，在對口線操作的指令后可用NOP指令加一定的延時。 （4） 為了減少意外的干擾信號將EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)改寫可用外部寫保護(hù)引腳（如果有），或者在EEPROM內(nèi)部沒有用的空間寫入標(biāo)志字，每次上電時或復(fù)位時做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫。4.5 I2C總線接口器件總線接口器件AT24C04應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 主機(jī)可以采用不帶I2C總線接口的單片機(jī)，AT89C51、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)合的信號模擬。 1）典型

11、信號模擬時序圖 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”的模擬時序如下圖所示：圖圖4-10 典型信號模擬時序圖典型信號模擬時序圖2）典型信號模擬子程序 見下面程序3）應(yīng)用實(shí)例: AT89C51對AT24C04進(jìn)行單字節(jié)的讀寫操作AT24C04是ATMEL公司的CMOS結(jié)構(gòu)4096位（512Byte8位）串行EEPROM，16字節(jié)頁面寫。與AT89C51單片機(jī)接口如下圖所示。SDA是漏極開路輸出，上拉電阻的選擇可參考AT24C04的數(shù)據(jù)手冊。下面是通過I2C接口對AT24C04進(jìn)行單字節(jié)寫操作的例程。 圖4-11

12、 AT24C04和51單片機(jī)接口示意圖 以下為C語言寫的軟件模擬I2C總線的數(shù)據(jù)傳送讀寫程序，I2C芯片為AT24C04。單片機(jī)對AT24C04進(jìn)行單字節(jié)的讀寫操作。 /*I2C芯片AT24C04單字節(jié)的讀寫程序，其地址為0。*功能是把數(shù)據(jù)0 xaa存儲到地址5中，*然后讀出并通過P0口驅(qū)動LED顯示*/#include#include#define uchar unsigned char#define nop _nop_()sbit sda=P17; /SDA和單片機(jī)的P17腳相連sbit scl=P16; /SCL和單片機(jī)的P16腳相連/定義ACC的位，利用ACC操作速度最快 sbit a

13、0=ACC0;sbit a1=ACC1;sbit a2=ACC2;sbit a3=ACC3;sbit a4=ACC4;sbit a5=ACC5;sbit a6=ACC6;sbit a7=ACC7;/開始函數(shù)void start()sda=1;nop;scl=1;nop;sda=0;nop;scl=0;nop;/停止函數(shù)void stop()sda=0; nop;scl=1;nop;sda=1;nop;/響應(yīng)函數(shù)void ack()uchar i;scl=1;nop;while(sda=1) & (i250)i+;scl=0;nop;/寫一個字節(jié)函數(shù)void write_byte(uch

14、ar dd)ACC=dd;sda=a7;scl=1;scl=0;sda=a6;scl=1;scl=0; sda=a5;scl=1;scl=0;sda=a4;scl=1;scl=0;sda=a3;scl=1;scl=0;sda=a2;scl=1;scl=0;sda=a1;scl=1;scl=0;sda=a0;scl=1;scl=0;sda=1;/讀一個字節(jié)函數(shù)uchar read_byte()sda=1;scl=1;a7=sda;scl=0;scl=1;a6=sda;scl=0;scl=1;a5=sda;scl=0;scl=1;a4=sda;scl=0; scl=1;a3=sda;scl=0;s

15、cl=1;a2=sda;scl=0; scl=1;a1=sda;scl=0;scl=1;a0=sda;scl=0; sda=1;return(ACC);/寫地址和數(shù)據(jù)函數(shù)void write_add(uchar address,uchar date)start();write_byte(0 xa0);/寫2404地址命令ack();write_byte(address);/寫地址ack();write_byte(date);/寫數(shù)據(jù)ack();stop();/讀地址、數(shù)據(jù)函數(shù)uchar read_add(uchar address)uchar temp;start();write_byte(0 xa0); ack();write_byte(address);ack();start();write_byte(0 xa1);ack();temp=read_by