I2C芯片PPT學習課件

1、已學過的MCU與其外部器件的連接方法：,1、通過并行口連接; 2、通過UART串行口連接; （如MCU之間，MCU與PC機之間，以及MCU與任何具有RS-232標準串口的設備之間） 另外，可以： 通過I2C接口連接各種具有I2C接口的器件。,I2C接口技術,1. I2C總線簡介 2. 實驗儀上的I2C總線接口器件 3. I2C總線接口器件及其應用 4. I2C總線接口的C51函數(shù),作業(yè)19,作業(yè)20,I2C總線簡介,I2C總線是一種用于集成電路之間連接的二線制總線。 (Inter Integrated Circuit Bus) 它通過 SDA(串行數(shù)據(jù)線) 、 SCL(串行時鐘線) 兩根線在連

2、到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件。,I2C總線簡介,I2C總線的應用 I2C總線的基本結構 雙向傳輸?shù)慕涌谔匦?I2C總線上的時鐘信號（略） I2C的傳輸速率 數(shù)據(jù)的傳送(“開始”和“結束”信號)（位傳送） I2C BUS PROTOCOL I2C上的應答位 I2C時序圖 總線競爭的仲裁（略）,I2C總線的應用,目前在視頻處理、移動通信等領域采用I2C總線接口器件已經(jīng)比較普遍。 通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的單片機、RAM、ROM、AD、DA、LCD驅(qū)動器等器件，也越來越多地應用于計算機及自動控制系統(tǒng)中。,I2C總線的應用,I2C總線的基本結構,采用I2C總線標準

3、的IC器件，其內(nèi)部具有I2C接口電路，通過軟件尋址實現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。 CPU可以實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的既簡單又靈活的擴展與控制。 I2C總線接口電路結構如下圖示。,雙向傳輸?shù)慕涌谔匦?I2C總線根據(jù)器件的功能通過軟件程序使其可工作于發(fā)送或接收方式。 產(chǎn)生信號的設備是傳送器，接收信號的設備是接收器，控制信號的設備是主設備，受控信號的設備是從設備。,I2C總線系統(tǒng)配置圖,主器件用于啟動總線上傳送數(shù)據(jù)并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。 I2C總線的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數(shù)據(jù)決定，在總線上，既沒有中心機，也沒有優(yōu)先級。,Data trans

4、fer is controlled by the Master device which generates the serial clock and all START and STOP conditions for bus access.,SDA和SCL均為雙向IO線，通過上拉電阻接正電源。 當總線空閑時，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出級必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能。,I2C BUS PROTOCOL,The following defines the features of the I2C bus protocol: (1) Data transfer may be

5、 initiated only when the bus is not busy. (2) During a data transfer, the data line must remain stable whenever the clock line is high. Any changes in the data line while the clock line is high will be interpreted as a START or STOP condition.,START Condition The START Condition precedes all command

6、s to the device, and is defined as a HIGH to LOW transition of SDA when SCL is HIGH. The CAT24WC01/02/04/08/16 monitor the SDA and SCL lines and will not respond until this condition is met.,STOP Condition A LOW to HIGH transition of SDA when SCL is HIGH determines the STOP condition. All operations

7、 must end with a STOP condition.,I2C時序圖,I2C時序參數(shù),I2C的傳輸速率,I2C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標準工作方式下為100Kbits，在快速方式下，最高傳送速率可達400Kbits。,I2C總線上的時鐘信號（略）,在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL時鐘線上的所有器件的邏輯 “與”完成的。 SCL線上由高到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個器件的時鐘信號變?yōu)榈碗娖?，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時，低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)，于是這些器件將進入高電平等待的狀態(tài)。

8、,當所有器件的時鐘信號都變?yōu)楦唠娖綍r，低電平期結束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產(chǎn)生一個同步時鐘。 可見，時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時鐘高電平期最短的器件確定。,數(shù)據(jù)的傳送,在數(shù)據(jù)傳送過程中，必須確認數(shù)據(jù)傳送的開始和結束。 在I2C總線技術規(guī)范中，開始和結束信號(也稱啟動和停止信號)的定義如下圖所示。,“開始”和“結束”信號,總線不忙時，數(shù)據(jù)線和時鐘線保持高電平。數(shù)據(jù)線在下降沿而時鐘線為高電平時為起動條件（S），數(shù)據(jù)線在下降沿而時鐘線為高電平時為停止條

9、件（P）。,I2C總線的數(shù)據(jù)傳送格式,I2C總線開始信號后，送出的第一字節(jié)數(shù)據(jù)是用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位(RW)。 方向位為“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫到所選擇的從器件中；方向位為“1”表示主器件將從從器件讀信息。,開始信號后，系統(tǒng)中的各個器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即為被主器件尋址的器件； 其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(RW)確定。,I2C總線上每次傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不限，但每一字節(jié)必須為8位，而且每個傳送的字節(jié)后面必須跟一個應答位(ACK) (第9位) 。 每次都是先傳最高位，通常從器件

10、在接收到每字節(jié)后都會做出響應，即釋放SCL線返回高電平，準備接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)，主器件可繼續(xù)傳送。,如果從器件正在處理一個實時事件而不能接收數(shù)據(jù)時(例如正在處理一個內(nèi)部中斷，在這個中斷處理完之前就不能接收I2C總線上的數(shù)據(jù)字節(jié))，可以使時鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平。 此時主器件產(chǎn)生1個結束信號，使傳送異常結束，迫使主器件處于等待狀態(tài)。當從器件處理完畢時釋放SCL線，主器件繼續(xù)傳送。,當主器件發(fā)送完一字節(jié)的數(shù)據(jù)后，接著發(fā)出對應于SCL線上的一個時鐘(ACK)應答位，此時鐘內(nèi)主器件釋放SDA線，一字節(jié)傳送結束，而從器件的響應信號將SDA線拉成低電平，使SDA在該時鐘的高電平

11、期間為穩(wěn)定的低電平。 從器件的響應信號結束后，SDA線返回高電平，進入下一個傳送周期。,應答位（ACK）,在起動條件和停止條件之間傳送器傳送給接收器的數(shù)據(jù)數(shù)量沒有限制。每個位字節(jié)后加一個應答位，傳送器產(chǎn)生高電平的應答位，這時主設備產(chǎn)生一個附加應答時鐘脈沖。,從接收器必須在接收到每個字節(jié)后產(chǎn)生一個應答位，主接收器也必須在接收從傳送器傳送的每個字節(jié)后產(chǎn)生一個應答位。 在應答位時鐘脈沖出現(xiàn)時，SDA 線應保持低電平（應考慮起動和保持時間）。傳送器應在從設備接收最后一個字節(jié)時變?yōu)榈碗娖?，使接收器產(chǎn)生應答位，這時主設備可產(chǎn)生停止條件。,I2C總線上的應答位,應答,位傳送,每個時鐘脈沖傳送一個數(shù)據(jù)位，SD

12、A 線上的數(shù)據(jù)在時鐘脈沖高電平時應保持穩(wěn)定，否則SDA 線上的數(shù)據(jù)將成為“啟動”或“結束”信號。,總線競爭的仲裁(略）,總線上可能掛接多個器件，有時會發(fā)生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況。例如，多單片機系統(tǒng)中，可能在某一時刻有兩個單片機要同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，這種情況叫做總線競爭。,I2C總線具有多主控能力，可以對發(fā)生在SDA線上的總線競爭進行仲裁，共仲裁原則是這樣的：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發(fā)送高電平，而另一個主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級。,總線競爭的仲裁是在兩個層次上進行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從

13、器件，則進入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由于利用I2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的丟失。,實驗儀上的I2C總線接口器件,E2PROM：CAT24WC02（256B）； 實時時鐘芯片：PCF8563。 察看實驗儀電路圖，觀察I2C器件與單片機之間的連接情況。,I2C總線接口器件及其應用,1、串行E2PROM存儲器件CAT24WC02 2、實時時鐘芯片PCF8563,帶I2C接口的串行E2PROM存儲器件CAT24WC02,電可擦除可編程只讀存儲器E2PROM可分為并行和串行2大類。并行E2PROM在讀寫數(shù)據(jù)是通過8位數(shù)據(jù)總線傳輸，而串行E2PROM的數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸

14、。雖然與并行E2PROM相比，串行傳輸數(shù)據(jù)較慢，但它體積小、低廉、電路簡單等優(yōu)點，因此廣泛用于智能儀器、儀表設備中。,CATALYST公司的CAT24WC02是一個256字節(jié)的支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的串行CMOS E2PROM 。具有2種寫入方式：字節(jié)寫入方式和頁寫入方式。1頁的大小取決于芯片內(nèi)頁寄存器的大小。CAT24WC02具有16字節(jié)數(shù)據(jù)的頁面寫能力?？稍陔娫措妷旱偷?.8V的條件下工作。CAT24WCXX系列E2PROM在極強的干擾下數(shù)據(jù)不丟失，在汽車電子及電度表、水表、煤氣表中得到廣泛的應用。,CAT24WC02,CAT24WC02的特性； CAT24WC02管腳描述； CAT2

15、4WC02管腳功能； CAT24WC02內(nèi)部結構圖； 串行E2PROM芯片的尋址； CAT24WC02數(shù)據(jù)地址分配； CAT24WC02寫操作方式； CAT24WC02讀操作方式； CAT24WC02的C51編程及應用。,CAT24WC02的特性,閱讀講義P110表5.5。 容量：2kbits (即：256 Bytes)； 一次頁寫的最大字節(jié)數(shù)：16字節(jié)； 最大可擴展數(shù)量：8片； ESD：抗干擾的一項指標，越高越好。,CAT24WC02管腳描述,DIP Double In-line Package 雙列直插式封裝,CAT24WC02管腳功能,內(nèi)部結構圖,串行E2PROM芯片的尋址,(1) 從器

16、件地址位,(2) 應答信號,數(shù)據(jù)地址分配,CAT24WC02內(nèi)部256個字節(jié)的地址為： 00H FFH。,寫操作方式,1、字節(jié)寫,2、 頁寫,讀操作方式,對CAT24WC02讀操作的初始化方式和寫操作時一樣，僅把R/W位置為1，有3種不同的讀操作方式： 按當前地址讀內(nèi)容、 按選擇地址讀內(nèi)容、 按連續(xù)的地址讀內(nèi)容。,1、按當前地址讀取,2、按選擇地址讀取,3、按連續(xù)的地址讀取,I2C總線接口的C51函數(shù),在單個主器件下的I2C總線，硬件接口是SDA、SCL，使用CPU的I/O口的兩根線做SDA、SCL，則其接口函數(shù)見VIIC_C51.c 。,CAT24WC02的編程及應用例(24wc02-1)：

17、,首先MCU將內(nèi)部RAM區(qū)的一串字符：“GOOD MORING！”發(fā)送給24WC02的00H-0FH區(qū)域；然后，MCU再從24WC02中讀出這些字符，并保存在MCU內(nèi)部RAM中的另一區(qū)域，之后，再將這些讀來的字符通過MCU標準串口發(fā)送出去。,例(24wc02-2) ：,MCU向24WC02的前64個字節(jié)單元寫入64個不同的字符，并將這些字符通過MCU的標準串口發(fā)送出去。,作業(yè),1、復習24WC02； 2、上網(wǎng)查找有關CAT24WC02的詳細資料，并閱讀學習。,本次課內(nèi)容,1、實驗5 2、實驗6 要求：按照實驗指導的要求進行實驗。 課程目標： 初步掌握I2C總線的C51接口函數(shù)及其應用；初步掌握

18、I2C串行E2PROM CAT24WC02的編程及應用。,教學設計： 1、實驗5：閱讀實驗指導；讀懂實驗中程序，并加以注釋；同學可以互相討論，教師有針對地講解；按照實驗指導的要求完成實驗5。 2、實驗6：閱讀實驗指導；讀懂實驗中程序，并加以注釋；同學可以互相討論，教師有針對地講解；按照實驗指導的要求完成實驗6。,3、在實驗的基礎上編程練習 (24wc02-3)： MCU從串口接收10個字符，將其寫入24WC02的前10個字節(jié)，然后再將這些字符通過串口發(fā)送出去。 4、完成上述內(nèi)容的同學，可以思考下面的編程練習。,作業(yè)19,作業(yè)20(24wc02-4),編程練習。要求如下： MCU從標準串口接收大

19、寫英文字母（以回車符結束，一次最多15個)； 將這些字符存儲在24WC02的前15個字節(jié)中； 再將這15個數(shù)分別加上20H后，并存放到24WC02的30H開始的15個單元中； 最后再將30H單元開始的15個數(shù)通過標準串口發(fā)送出去（結果發(fā)出的應該是15個小寫的英文字母）。,I2C串行實時日歷、時鐘芯片(RTC)PCF8563,PCF8563功能特性； CLKOUT 輸出 PCF8563內(nèi)部結構；掉電檢測器 PCF8563引腳及其功能；復位 PCF8563的硬件連接（實驗儀上的PCF8563） PCF8563內(nèi)部寄存器及其功能； PCF8563器件地址； PCF8563通過I2C接口的讀寫操作；

20、PCF8563日歷、實時時鐘應用實例； 作業(yè)。,PCF8563功能特性,I2C接口的實時時鐘日歷芯片； 功耗低； 它提供一個可編程時鐘信號輸出； 提供一個中斷輸出和掉電檢測器； 所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞，最大總線速度為400 Kbits/s； 每次讀寫數(shù)據(jù)后，其內(nèi)部的字地址寄存器會自動加1。,上層,2特性 * 低工作電流：典型值為0.25A（VDD=3.0V，Tamb=25時）； * 具有世紀標志（解決了2000年問題） * 大工作電壓范圍：1.05.5V * 低休眠電流； * 400Kbits/s 的I2C總線接口 可編程時鐘輸出頻率為： 32.768KHz，1024Hz，

21、32Hz，1Hz。,* 報警和定時器。 * 掉電檢測器。 * 內(nèi)部振蕩電路。 * 片內(nèi)電源復位功能。 * I2C總線從地址：讀，0A3H；寫，0A2H。 * 開漏中斷引腳。,3廣泛應用于： 電話、電表、水表、氣表、傳真機、便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領域。,PCF8563內(nèi)部結構,上層,掉電檢測器和時鐘監(jiān)控,上層,掉電檢測器和時鐘監(jiān)控,PCF8563 內(nèi)嵌掉電檢測器，當VDD 低于Vlow 時,位VL（Voltage Low,秒寄存器的位7） 被置，用于指明可能產(chǎn)生不準確的時鐘日歷信息，VL 標志位只可以用軟件清除 當VDD 慢速降低（例如以電池供電）達到Vlow 時，標志位VL 被

22、設置,這時可能會產(chǎn)生中斷。,上層,CLKOUT 輸出,管腳CLKOUT 可以輸出可編程的方波。CLKOUT 頻率寄存器（地址0DH）決定方波的頻率： CLKOUT 可以輸出32.768KHz( 缺省值)，1024，32，1Hz 的方波。 CLKOUT為開漏輸出管腳，通電時有效，無效時為高阻抗。,上層,復位,PCF8563 包含一個片內(nèi)復位電路，當振蕩器停止工作時，復位電路開始工作。在復位狀態(tài)下，I2C 總線初始化，寄存器中位TF、VL、TD1、TD0、TESTC、AE 被置邏輯，其它的寄存器和地址指針被清。,上層,PCF8563引腳及其功能,上層,PCF8563引腳功能,PCF8563的硬件連

23、接,1、實驗儀上的PCF8563： 查看實驗儀的原理圖。 2、帶備用電池的電路連接圖： （如下圖1）。 3、利用中斷的電路連接： （如圖2）。,上層,上層,圖1,圖2,PCF8563內(nèi)部寄存器及其功能,PCF8563共有16個8位寄存器，其中： 00H01H為控制方式寄存器、 09H0CH為報警功能寄存器（定義報警條件）， 0DH為時鐘輸出寄存器、 0EH和0FH為定時器(倒計數(shù)）功能寄存器、 02H08H為秒年時間寄存器。,上層,上層,控制方式寄存器,控制/狀態(tài)寄存器1的位描述（地址 00H）； 控制/狀態(tài)寄存器2的位描述（地址 01H）；,日歷、時鐘寄存器,秒/VL寄存器位描述(地址02H

24、)； 分鐘寄存器位描述（地址03H）； 小時寄存器位描述（地址04H）； 日寄存器位描述（地址05H）； 星期寄存器位描述（地址06H）； 月/世紀寄存器位描述(地址07H)； 年寄存器位描述（地址08H）。,報警功能模式,一個或多個報警寄存器MSB（AE=Alarm Enable 報警使能位）清時，相應的報警條 件有效，這樣，一個報警將在每分鐘至每星期范圍內(nèi)產(chǎn)生一次。 設置報警標志位AF（控制狀態(tài)寄存器的位）用于產(chǎn)生中斷，AF 只可以用軟件清除。,上層,將一個或多個報警寄存器寫入合法的分鐘、小時、日或星期數(shù)值，并且它們的AE（Alarm Enable)位為邏輯0，當這些數(shù)值與當前的分鐘、小時

25、、日或星期數(shù)值相等標志位AF（ Alarm Flag) 被置位，AF保存設置值直到被軟件清除為止，AF被清除后，只有在時間增量與報警條件再次相匹配時才可再被設置。,上層,報警寄存器,分鐘報警寄存器位描述(地址09H) 小時報警寄存器位描述(地址0AH) 日報警寄存器位描述(地址0BH) 星期報警寄存器位描述(地址0CH),上層,秒、分鐘、小時、日、月、年、分鐘報警、小時報警、日報警寄存器，編碼格式為BCD，星期和星期報警寄存器不以BCD 格式編碼。,上層,控制/狀態(tài)寄存器1的位描述（地址 00H）,控制/狀態(tài)寄存器2的位描述（地址 01H）,INT操作（bit TI/TP=1）,AF和TF值描

26、述,秒/VL寄存器位描述(地址02H),分鐘寄存器位描述（地址03H）,小時寄存器位描述（地址04H）,日寄存器位描述（地址05H）,星期寄存器位描述（地址06H）,星期分配表,月/世紀寄存器位描述(地址07H),月分配表,年寄存器位描述（地址08H）,分鐘報警寄存器位描述(地址09H),小時報警寄存器位描述（0AH）,日報警寄存器位描述（0BH）,星期報警寄存器位描述（0CH）,CLKOUT頻率寄存器位描述（地址0DH）,CLKOUT頻率選擇表,倒計數(shù)定時器控制器,倒計數(shù)定時器控制器含有8位二進制，它由位TE決定有效或無效。為了能精確讀回倒計數(shù)的數(shù)值，I2C總線時鐘SCL的頻率應至少為所選定

27、定時器時鐘頻率的兩倍。,倒計數(shù)定時器控制器位描述（地址0EH）,定時器時鐘頻率選擇,定時器倒計數(shù)數(shù)值（地址0FH）,位的倒計數(shù)器（地址0FH）,位的倒計數(shù)器（地址0FH）由定時器控制寄存器（地址0EH）控制，定時器控制寄存器用于設定倒計數(shù)器的頻率（4096，64，1，或1/60Hz），以及設定倒計數(shù)器有效或無效。 倒計數(shù)器從軟件設置的8 位二進制數(shù)倒計數(shù)，每次倒計數(shù)結束，設置標志位TF，TF 只可以用軟件清除，TF 用于產(chǎn)生一個中斷（INT），每個倒計數(shù)周期產(chǎn)生一個脈沖作為中斷信號。TI/TP控制中斷產(chǎn)生的條件。當讀倒計數(shù)器時，返回當前倒計數(shù)的數(shù)值。,PCF8563器件地址,（其中A0=1）

28、PCF8563器件地址為： 寫PCF8563：0A2H； 讀PCF8563：0A3H。,上層,PCF8563通過I2C接口的讀寫操作,與24WC02的讀操作、寫操作類似； 且不涉及到超過16字節(jié)的情況（ PCF8563內(nèi)部只有16個8位的寄存器。） 所用到的讀操作函數(shù)IRevStr、寫操作函數(shù)ISendStr與24WC02類似（只是從器件的地址不同）。,上層,ISendStr(向有子地址器件發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)),函數(shù)原型: bit ISendStr(uchar sla,uchar suba, ucahr *s,uchar no); 功能: 從啟動總線到發(fā)送地址，子地址,數(shù)據(jù)，結束總線的全過程,

29、從器件地址sla，子地址suba，發(fā)送內(nèi)容是s指向的內(nèi)容，發(fā)送no個字節(jié)。 如果返回1表示操作成功，否則操作有誤。 注意：使用前必須已結束總線。,上層,bit ISendStr(uchar sla,uchar suba,uchar *s,uchar no) uchar i; Start_I2c(); /*啟動總線*/ SendByte(sla); /*發(fā)送器件地址*/ if(ack=0)return(0); SendByte(suba); /*發(fā)送器件子地址*/ if(ack=0)return(0); for(i=0;ino;i+) SendByte(*s); /*發(fā)送數(shù)據(jù)*/ if(ack=

30、0)return(0); s+; Stop_I2c(); /*結束總線*/ return(1); ,上層,IRevStr （向有子地址器件讀取多字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù) ）,函數(shù)原型: bit IRcvStr(uchar sla,uchar suba, uchar *s,uchar no) 功能: 從啟動總線到發(fā)送地址，子地址,讀數(shù)據(jù)，結束總線的全過程,從器件地址sla，子地址suba，讀出的內(nèi)容放入s指向的存儲區(qū)，讀no個字節(jié)。 如果返回1表示操作成功，否則操作有誤。 注意：使用前必須已結束總線。,上層,bit IRcvStr(uchar sla,uchar suba,uchar *s,uchar no) uchar i; Start_I2c(); /*啟動總線*/ SendByte(sla); /*發(fā)送器件地址*/ if(ack=0)return(0); SendByte(suba); /*發(fā)送器件子地址*/ if(ack=0)return(0); Start_I2c(); SendByte(sla+1); if(ack=0)return(0); for(i=0;ino-1;i+) *s=RcvByte(); /*發(fā)送數(shù)據(jù)*/ Ack_I2c(0); /*發(fā)送就答位*/ s+; *s=RcvByte(); Ack_I2c(1)