IIC串行協(xié)議及器件

1、第11章 I2C串行協(xié)議及I2C器件應(yīng)用11.1 I2C串行總線通信協(xié)議11.2 I2C串行總線典型器件 主講內(nèi)容11.3 I2C串行總線的應(yīng)用 11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 I2C是Philips公司推出的在器件間實(shí)現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)總線。 以其連接簡單、節(jié)省I/O口線、縮減空間等特點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用。 如I2C 的RAM、E2PROM、LCD、LED、A/D 、D/A 、時(shí)鐘等器件。 I2C串行總線的主要特征如下：1）兩條傳輸線：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA），一條串行時(shí)鐘線（SCL）。2）總線模式多：主發(fā)送模式、主接收模式、從發(fā)送模式、從接收模式。3）器件唯一尋址：I2C總線上器件都有

2、唯一地址，主機(jī)可對(duì)各從機(jī)尋址。4）檢測和仲裁：沖突檢測和仲裁機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸完整性和穩(wěn)定性。5）傳輸速率高：標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式的傳輸率分別是100k 、 400k 、3.4M bps 。6）漏極開路：總線要接上拉電阻。連接到總線上的IC數(shù)量僅受到最大電容400pF的限制。11.1.1 I2C串行總線的基本特征11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 I2C接口傳輸具有線“與”功能。SDA和SCL兩條線，均為雙向I/O口，通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電平，連接總線器件的輸出極必須是集電極或漏極開路。 I2C SDA上的數(shù)據(jù)僅在SCL為低電平時(shí)才能改變。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，S

3、DA的改變表示“開始”和“停止”狀態(tài)。 在時(shí)鐘高電平期間，數(shù)據(jù)線上必須保持穩(wěn)定的邏輯電平。只有在時(shí)鐘線低電平時(shí)，才允許數(shù)據(jù)線的電平變化。 I2C總線是一個(gè)半雙工、多主器件的總線?？偩€上發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送器（也叫主器件）與接收數(shù)據(jù)的接收器（也叫從器件）取決于當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。當(dāng)一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其它被尋址器件均作為接收器。11.1.2. I2C傳輸接口的特性11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 完整的時(shí)序過程由起始信號(hào)、器件地址信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)ACK、字節(jié)數(shù)據(jù)信號(hào)和停止信號(hào)等幾部分組成。 11.1.3 I2C的時(shí)序圖11-1 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序11.1 I2C串行總線通信協(xié)議（1）起停信號(hào)定義I2

4、C協(xié)議中，起始信號(hào)（S）和停止信號(hào)（P）都由主器件產(chǎn)生。 起始信號(hào)定義：當(dāng)SCL線為高電平時(shí)，SDA由高到低的負(fù)跳變； 在總線上出現(xiàn)了起始信號(hào)，就認(rèn)為總線處于工作狀態(tài)。 停止信號(hào)定義：當(dāng)SCL線為高電平時(shí)，SDA由低到高的正跳變；總線上出現(xiàn)停止信號(hào)，被認(rèn)為總線是處在不忙或空閑狀態(tài)。圖11-2 起始和停止信號(hào)時(shí)序1 起始和停止信號(hào)11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 （2）起停信號(hào)的檢測 連接到總線上的設(shè)備具有I2C硬件接口，檢測起、停信號(hào)由硬件自動(dòng)完成。 連接到總線上的設(shè)備沒有I2C硬件接口，檢測起、停信號(hào)必須由軟件檢測跳變。START_IC：CLR SCL ；SCL由高變低，因?yàn)镾CL低電平時(shí)才

5、允許SDA更改 NOP ；加入空指令延時(shí)以確保信號(hào)可靠 NOP SETB SDA ;SDA先高NOP NOP SETB SCL ;SCL高，起始條件建立時(shí)間大于4.7usACALL DS4.7uSCLR SDA ；SDA低，起始條件鎖定時(shí)大于4usACALL DS4uSCLR SCL ；SCL低, 鉗住總線，準(zhǔn)備發(fā)數(shù)據(jù)NOP RET 圖11-3 啟動(dòng)信號(hào)時(shí)序11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 （2）起停信號(hào)的檢測 STOP_IC：CLR SCL ;SCL低NOP CLR SDA NOP NOP SETB SCL ; 發(fā)送結(jié)束條件的時(shí)鐘信號(hào)ACALL DS4.7uS ;結(jié)束總線時(shí)間大于4us（取4

6、.7us）SETB SDA ;結(jié)束總線ACALL DS4.7uS ;保證終止和起始空閑大于4.7usNOP RET 圖11-4 停止信號(hào)時(shí)序11.1 I2C串行總線通信協(xié)議2 器件地址A0A1A20101如24C02 的地址格式如下WR器件地址具有唯一性，發(fā)送器發(fā)出起始信號(hào)后，必須緊跟發(fā)送一個(gè)字節(jié)（8位）器件地址信號(hào)；地址信號(hào)用SLAVE 表示。SLAVE 是7位的器件地址位D7D1，D0 位是數(shù)據(jù)傳送方向位，用 表示讀/寫選擇位；SLAVE由一個(gè)4位固定部分和3位可編程部分組成。固定部分為器件的標(biāo)識(shí)，表明了器件的類型，出廠時(shí)固定的。可編程部分為器件的引腳地址，視硬件接線而定。WRWR11.1

7、 I2C串行總線通信協(xié)議表7-3 常用外圍器件的節(jié)點(diǎn)地址 1001 A2A1A001110 A1A00100 A2A1A01010 A2A1A01010 A2A1A01011 A2A1A01010 A2A1A0 11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 3 應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào) （1）應(yīng)答信號(hào)與非應(yīng)答信號(hào)定義圖11-5 應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào) 接收器收到地址字節(jié)或一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后都要產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACK。在第9 個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)將SDA 線拉低，表示收到一個(gè)8 位數(shù)據(jù)。 發(fā)送器必須在這一時(shí)鐘位上釋放數(shù)據(jù)線SDA，使其處于高電平狀態(tài)，以便接收器輸出ACK應(yīng)答信號(hào)，表示繼續(xù)接收；若接收器輸出高電平則為非應(yīng)答信號(hào)（/AC

8、K），表示結(jié)束接收。 發(fā)送器接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，須向接收器發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，使接收器釋放SDA線，發(fā)送器產(chǎn)生終止信號(hào)，停止數(shù)據(jù)傳送。 11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 3 應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào) （2）應(yīng)答信號(hào)時(shí)序 ACK在接收方，每收到一字節(jié)后便將SDA電平拉低,應(yīng)答完成后，SCL=0，SDA=1。具體時(shí)序如下： MACK_IC：CLR SCL NOP CLR SDA ;在第9個(gè)SLC脈沖，將SDA置0NOP NOP SEIB SCL ;保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間，即SCL為高時(shí)間大于ACALL DS4.7usCLR SCL NOP NOPSETB SDA ;在SDA高或低的任何前提下，應(yīng)答完成

9、后，SCL=0，SDA=1NOP RET 圖11-6 應(yīng)答信號(hào)ACK時(shí)序 11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 3 應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào) （3）非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序 /ACKMNACK_IC: CLR SCL NOP NOP SETB SDA ;將SDA置1 NOPNOPSETB SCLACALL DS4.7uSNOP ;保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間，即SCL為高時(shí)間大于4.7usCLR SCLNOP SETB SDA NOP RET 圖11-7 非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序 11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 4 數(shù)據(jù)字節(jié)信號(hào) 字節(jié)數(shù)位：數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)沒有限制，但是每字節(jié)必須是8位長度； 發(fā)送次序：先發(fā)送最高位，每字節(jié)數(shù)據(jù)后必跟一位應(yīng)答脈沖

10、ACK； 等待狀態(tài)：接收器不能接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，可以把SCL線拉成低電平，迫使發(fā)送器處于等待狀態(tài)。 圖為多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸過程的完整時(shí)序。 圖11-8 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序 連續(xù)寫的兩個(gè)字節(jié)之間最好是有10ms的延時(shí)。當(dāng)然，也可以進(jìn)行頁寫（PAGE WRITE），即一次性連續(xù)寫8個(gè)字節(jié)，但采用頁寫方式時(shí)每個(gè)字節(jié)后要有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。 11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 （1）向IC卡寫一字節(jié) 數(shù)據(jù)（WR_BYTE ） WR_BYTE：MOV R2，#08 ;一字節(jié)8位數(shù)據(jù) CLR SCL NOP NOP WR_BYTE1：RLC A ;A.8-C MOV SDA，C ;改變SDA上的數(shù)據(jù) NOP SETB S

11、CL ；拉高SCL =4.7uSACALL DS4.7uS CLR SCL NOP NOP DJNZ R2，WR_BYTE1；依次發(fā)8位 圖11-9 字節(jié)寫時(shí)序圖 SETB SDA NOP NOP SETB SCL CLR F0 NOP NOP MOV C,SDA ;回讀IC卡的確認(rèn)信號(hào) JC WR_BYTE2 SETB F0 ; 有應(yīng)答位WR_BYTE2:NOP ; 非應(yīng)答 CLR SCL NOP RET 11.1 I2C串行總線通信協(xié)議 （2）從IC卡讀取一字節(jié) 數(shù)據(jù)（RD_BYTE ） RD_BYTE： MOV R2，#08 SETB SDA ;設(shè)備SDA為讀狀態(tài) CLR A ;清空A寄

12、存器 NOP NOPRD_BTYE1： SETB SCL ;時(shí)鐘線為高，接收數(shù)據(jù)位 NOP NOP MOV C,SDA ;讀取一位數(shù)據(jù)到進(jìn)位位 圖11-10 字節(jié)讀時(shí)序圖 RLC A ;左移數(shù)據(jù)到ACC.0CLR SCL ;將SCL拉低時(shí)間大于4.7usACALL DS4.7uSDJNZ R2，RD_BYTE1；依次讀出8位數(shù)據(jù)到A中 RET ；讀數(shù)據(jù)是無應(yīng)答信號(hào)的需要注意的是：讀數(shù)據(jù)的器件不是通過確認(rèn)狀態(tài)來應(yīng)答的，而是隨后產(chǎn)生一個(gè)停止?fàn)顟B(tài)。 11.2 兩線串行總線典型器件1. AT24系列存貯器 I2C串行接口的EEPROM 目前用于IC卡的通用存貯器芯片多為EEPROM，其常用的協(xié)議主要有

13、兩線串行連接協(xié)議（I2C）和三線串行鏈接協(xié)議，其中比較常用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT24系列芯片。 AT24系列主要有 AT24C01 /02 /04 ，非加密卡 工藝：采用CMOS工藝制造，內(nèi)置有高壓泵，2V5V的低電壓工作 。封裝: 8腳DIP封裝； IC卡封裝。 IC卡封裝 對(duì)觸點(diǎn)數(shù)目,位置,信號(hào)名稱和功能都有明確規(guī)定,以保證兼容性.其中:C1(VCC)為電源;C2(RST)復(fù)位信號(hào);C3(CLK)時(shí)鐘脈沖;C4(RFU) 待用; C5(GND)接地端;C6(VPP)編程電壓,用于對(duì)EPROM編程;C7( I/O) 數(shù)據(jù)輸入輸出端; C8(RFU)待用.有些系統(tǒng)中IC卡的C4和C8未用

14、,可見卡上僅有六個(gè)觸點(diǎn).引腳：SCL串行時(shí)鐘；SDA串行數(shù)據(jù)，開漏極驅(qū)動(dòng)；(DIP封裝 ) A2、A1、A0：器件/頁面尋址， 器件地址：1010 A2、A1、A0 11.2 兩線串行總線典型器件1. AT24系列存貯器 I2C串行接口的EEPROM 11.2 兩線串行總線典型器件1. AT24系列存貯器 I2C串行接口的EEPROM產(chǎn)品型號(hào)AT24C01AT24C02AT24C04AT24C08AT24C16AT24C64產(chǎn)品描述1K位2K位4K位8K位16K位64K位內(nèi)存組織形式128825682568102482048881928頁寫入方式8字節(jié)8字節(jié)16字節(jié)16字節(jié)16字節(jié)32字節(jié)通訊

15、協(xié)議ISO/IEC7816-3同步協(xié)議，雙行串行接口工作頻率1MHz（5v）,1MHz(2.7v),400MHz(1.8v)工作電壓5v10%;根據(jù)需求最低電壓可至1.8VICC電流讀：1Ma（最大），寫：3Ma（最大）工作溫度0-70,根據(jù)需求可超出指定工作溫度寫/擦除次數(shù)1,000,000次數(shù)據(jù)保持100年ESD保護(hù)4000V應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)保持、電話卡、校園、醫(yī)療保險(xiǎn)等 11.2 兩線串行總線典型器件2. SLE 4442 2 線連接協(xié)議（ISO7816）加密卡（磁生電供電）還有射頻卡：13.56M非接觸IC卡 符合ISO14443 TYPE A + ISO7816 標(biāo)準(zhǔn) ISO7816協(xié)議

16、與IIC協(xié)議不相同！SLE4442 德國西門子SIMENS 公司邏輯加密存儲(chǔ)卡。具有2K 位的存儲(chǔ)容量和完全獨(dú)立的可編程代碼存儲(chǔ)器PSC。單+5V 電壓供電，目前國內(nèi)應(yīng)用較多的一種IC 卡芯片。2 線連接協(xié)議（串行接口滿足ISO7816 同步傳送協(xié)議每字節(jié)擦除/寫入編程時(shí)間為2.5ms。 至少10000 次的擦寫，數(shù)據(jù)保持10 年。 芯片引腳 SLE4442 的觸點(diǎn)安排見下圖 11.2 兩線串行總線典型器件3. PCF8563I2C串行接口的實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘PCF8563 I2C時(shí)鐘芯片 見教材；HYM1302高性能、低功耗帶RAM 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 HYM1302(DS1302) 可慢速充電實(shí)時(shí)時(shí)鐘

17、，含實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31 字節(jié)非易失靜態(tài)RAM。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷可對(duì)秒，分，時(shí)，日，周，月，和年進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)于小于31 天的月，月末的日期自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，還具有閏年校正的功能。時(shí)鐘可以采用24 小時(shí)格式或帶AM（上午）/PM（下午）的12 小時(shí)格式。31 字節(jié)的RAM 可以用來臨時(shí)保存一些重要數(shù)據(jù)。通信僅需3 根線：（1）RST（復(fù)位），（2）I/O（數(shù)據(jù)線）和（3）SCLK（串行時(shí)鐘）。 寬工作電源電壓范圍：2.0V5.5V；2.5V 時(shí)耗電小于300nA；3 線接口，TTL 兼容 封裝形式：DIP8 和SOP8；可完全兼容DALLAS 的DS1302。 11.3 I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 新

18、近推出的增強(qiáng)型高性能單片機(jī)大都片內(nèi)自帶標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口。MCS-51系列單片機(jī)片內(nèi)無I2C總線接口，則可以使用I/O口軟件模擬I2C總線。 1. MCS-51與I2C器件的連接 使用單片機(jī)I/O口模擬I2C總線時(shí)，只需兩條I/O口線即可，在軟件中分別定義成SCL和SDA。 模擬I2C接口時(shí)，要軟件模擬I2C串行總線的通信時(shí)序。圖7-21 I/O 口模擬I2C 總線 2. I2C總線的典型應(yīng)用 24xx系列的E2PROM存儲(chǔ)器是應(yīng)用比較廣泛的I2C總線器件之一。24C04內(nèi)部組織為5128位，16字節(jié)頁寫。 【例7-4】24C04與8051的接口電路如圖，8051通過I2C總線接口對(duì)24C04

19、進(jìn)行多字節(jié)寫操作的程序流程圖如圖。試編寫多字節(jié)寫程序。圖7-22 24C04與8051的連接圖圖7-23 24C04 多字節(jié)寫操作流程圖流程圖 11.3 I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 11.3 I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 24C04寫入多字節(jié)子程序： SCL BIT P3.2 ；定義時(shí)鐘線 SDA BIT P3.3 ；定義數(shù)據(jù)線START:LCALL STAR ；調(diào)起始信號(hào) MOV R2，#08H ；8字節(jié)（括地址） MOV DPTR，#TAB ；定義數(shù)據(jù)指針LOOP: MOV A，#00H MOVC A，A+DPTR LCALL SEND ；發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù) LCALL ACKC ；接收應(yīng)答信號(hào) JC LOOP ；JC什么意思？ INC DPTR DJNZ R2，LOOP LCALL STOP ；調(diào)停止信號(hào) RETTAB：DB 0A0H,10H,01H,02H,