I2C总线原理与应用.docx
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I2C总线原理与应用
I2C总线原理与应用
一.简介
I2C（Inter－IntegratedCircuit）总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发。
由于其简单性，如今方泛用于微控制器与各种功能模块的连接，可以说是学单片机的人，入门之后，必定要涉及到的。
I2C总线实际上已经成为一个国际标准在超过100种不同的IC上实现，而且得到超过50家公司的许可，正因为其简单和应用广泛，因此其功能也越来不满足人们的要求，其速度也从原来的100Kbit/S，增加了快速模式，其速度达400Kbit/S，再后来也增加了高速模式，其速度更达3.4Mbit/S。
二.功能和特点
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多少器件，并且通个两根线连接，占用空间非常的小，总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。
它的另一优点是多主控，只要能够进行接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同一时间工作。
I2C总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线）。
任何时候时钟信号都是由主控器件产生。
I2C总线在传送数据的过程中，主要有三种控制信号：
起始信号，结不信号，应答信号
起始信号：
当SCL为高电平时，SDA由高电平转为低电平时，开始传送数据
结束信号：
当SCL为高电平时，SDA由低电平转为高电平时，结束数据传送
应答信号：
接收数据的器件在接收到8bit数据后，向发送数据的器件发出低电平信号，表示已收到数据。
这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。
总之由接收数据的器件发出。
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。
三.基本操作
下面我们以ATMEL公司的AT24C02来介绍I2C的基本操作
AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8bit存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。
他在系统中始终为从动器件。
对AT24C02的操作主要有：
字节读，字节写，页面读，页面写
首先发送起始信号，如下图，起始信号后必须是控制字，
控制字格式如下，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，也就是三个地址位，最后一位为读写控制位，当为1（Input）时为读操作，为0（Output）时为写操作。
控制字后就是相应的操作，读或写，一定不要结束，因为这个操作还没有完成，如果结束就等于放弃操作。
先来看写操作，写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同,AT24C02为8字节，每写一个字节后，地址自动加1。
关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3，字节写可以看成是只有一个字节的页面写，也就是写一个数据后停止。
注意：
写一次需要一定时间，一般为10ms，要等侍这个操作完成。
时序如下图：
说明：
对于AT24C02，在控制字后还必须写入地址，这个地址是以后读写的起始地址。
读操作有三种基本操作：
当前地址读、随机读和顺序读。
三种操作方法类似，只是读的数据个数不同，可连续读8个字节，图4给出的是顺序读的时序图,图中共读了四个数据，需要注意的是当前的地址，如果不是想要的，可以用写操作，重新写入地址。
非常重要的是，每读一个数据后，必须置低SDA，作为应答，否则，只能读一个数据，后面的数据，因为收到不应答信号，AT24C02就会认为出错，停止操作。
特别提醒的是，当SCL为低电平时，数据是可变的，因些只有SCL为高电平时，才能读数。
（相关时序，请看例程序的，读功能函数）
四.例程序（51汇编，测试单片机为AT89C51，12M晶振）
电路连接如图5，其中A0，A1，A2为地址线，本例中全部接地，因此全部为0。
由于SCL和SDA为漏极开路输出，所以在使用时，需加上拉电阻。
关于I2C总线的基本操作
软件实现I2C主模式通讯看似简单，但实际应用中最容易犯的错误就是对SCL和SDA总线上高电平的实现过程。
在硬件设计上，任意选择单片机的两个IO引脚分别指派为SCL和SDA，虽然不是必须的，但为方便软件编程一般设于同一个端口，并在其上外接上拉电阻，至于ESD保护电阻和抗干扰滤波电容则为可选件，不影响I2C总线通讯。
当器件占用总线时，需要在SCL或SDA引脚上输出低电平，软件就将PORT寄存器相关位设定为0的同时对应的TRIS寄存器位也设为0；当释放总线即总线上变为高电平时，注意不能直接从IO引脚上输出高电平，而是应该将TRIS位设为1，使引脚变成高阻输入状态，通过外接的上拉电阻得到高电平。
很多工程师没有遵循这种操作规范，尽管在特定的应用中也可以实现I2C通讯，但留有很多隐患，不可盲目照搬。
对于PIC单片机来说，I2C总线的控制基本上可以简化到对TRIS寄存器相关位的控制。
在初始化时先将数据端口寄存器PORTx和PORTx引脚设为0。
需要总线为0，则TRISx＝0或TRISx＝0；释放总线，则TRISx＝1或TRISx＝1。
当单片机需要从总线上读取从器件发出的数据和应答信号时，则直接读取PORTx引脚的输入电平。
由于PORTx和TRISx寄存器在不同的bank，在程序中可以利用FSR做间接寻址以减少bank切换。
MCS-51单片机模拟I2C软件包（V1.1）（c）
/********************************************************************
MCS-51单片机模拟I2C软件包（V1.1）
文件名：
VI2C_C51.C
相关文件：
VI2C_C51.H，VI2C_C51.LIB
功能说明：
本模拟I2C软件包包含了I2C操作的底层函数，如发送数据及接收
数据,应答位发送,并提供了几个直接面对器件的操作函数，它很方便的与用户程
序连接并扩展.....
注意:
函数是采用软件延时的方法产生SCL脉冲,固对高晶振频率要作一定的
修改....（本软件包是1us机器周期,即晶振频率要小于12MHZ）
总线时序符合I2C标准模式,100Kbit/S。
更新时间：
2002.06.05
********************************************************************/
＃include
＃include
#define ucharunsignedchar /*宏定义*/
#define uint unsignedint
#define _Nop（） _nop_（） /*定义空指令*/
sbitSDA=P3^4; /*模拟I2C数据传送位*/
sbitSCL=P3^5; /*模拟I2C时钟控制位*/
bitack; /*应答标志位*/
/*******************************************************************
起动总线函数
函数原型:
void Start_I2c（）;
功能:
启动I2C总线,即发送I2C起始条件.
********************************************************************/
voidStart_I2c（）
{
SDA=1; /*发送起始条件的数据信号*/
_Nop（）;
SCL=1;
_Nop（）; /*起始条件建立时间大于4.7us,延时*/
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
SDA=0; /*发送起始信号*/
_Nop（）; /*起始条件锁定时间大于4μs*/
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
SCL=0; /*钳住I2C总线，准备发送或接收数据*/
_Nop（）;
_Nop（）;
}
/*******************************************************************
结束总线函数
函数原型:
void Stop_I2c（）;
功能:
结束I2C总线,即发送I2C结束条件.
********************************************************************/
voidStop_I2c（）
{
SDA=0; /*发送结束条件的数据信号*/
_Nop（）; /*发送结束条件的时钟信号*/
SCL=1; /*结束条件建立时间大于4μs*/
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
SDA=1; /*发送I2C总线结束信号*/
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
}
/*******************************************************************
字节数据发送函数
函数原型:
void SendByte（ucharc）;
功能:
将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,并对
此状态位进行操作.（不应答或非应答都使ack=0）
发送数据正常，ack=1;ack=0表示被控器无应答或损坏。
********************************************************************/
void SendByte（ucharc）
{
ucharBitCnt;
for（BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++） /*要传送的数据长度为8位*/
{
if（（c< else SDA=0;
_Nop（）;
SCL=1; /*置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位*/
_Nop（）;
_Nop（）; /*保证时钟高电平周期大于4μs*/
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
SCL=0;
}
_Nop（）;
_Nop（）;
SDA=1; /*8位发送完后释放数据线，准备接收应答位*/
_Nop（）;
_Nop（）;
SCL=1;
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
if（SDA==1）ack=0;
elseack=1; /*判断是否接收到应答信号*/
SCL=0;
_Nop（）;
_Nop（）;
}
/*******************************************************************
字节数据接收函数
函数原型:
uchar RcvByte（）;
功能:
用来接收从器件传来的数据,并判断总线错误（不发应答信号），
发完后请用应答函数应答从机。
********************************************************************/
uchar RcvByte（）
{
ucharretc;
ucharBitCnt;
retc=0;
SDA=1; /*置数据线为输入方式*/
for（BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++）
{
_Nop（）;
SCL=0; /*置时钟线为低，准备接收数据位*/
_Nop（）;
_Nop（）; /*时钟低电平周期大于4.7μs*/
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
SCL=1; /*置时钟线为高使数据线上数据有效*/
_Nop（）;
_Nop（）;
retc=retc<<1;
if（SDA==1）retc=retc+1; /*读数据位,接收的数据位放入retc中*/
_Nop（）;
_Nop（）;
}
SCL=0;
_Nop（）;
_Nop（）;
return（retc）;
}
/********************************************************************
应答子函数
函数原型:
voidAck_I2c（bita）;
功能:
主控器进行应答信号（可以是应答或非应答信号，由位参数a决定）
********************************************************************/
voidAck_I2c（bita）
{
if（a==0）SDA=0; /*在此发出应答或非应答信号*/
elseSDA=1;
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
SCL=1;
_Nop（）;
_Nop（）; /*时钟低电平周期大于4μs*/
_Nop（）;
_Nop（）;
_Nop（）;
SCL=0; /*清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收*/
_Nop（）;
_Nop（）;
}
/*******************************************************************
用户接口函数
*******************************************************************/
/*******************************************************************
向无子地址器件发送字节数据函数
函数原型:
bit ISendByte（ucharsla,ucahrc）;
功能:
从启动总线到发送地址，数据，结束总线的全过程,从器件地址sla.
如果返回1表示操作成功，否则操作有误。
注意：
使用前必须已结束总线。
********************************************************************/
bitISendByte（ucharsla,ucharc）
{
Start_I2c（）; /*启动总线*/
SendByte（sla）; /*发送器件地址*/
if（ack==0）return（0）;
SendByte（c）; /*发送数据*/
if（ack==0）return（0）;
Stop_I2c（）; /*结束总线*/
return
（1）;
}
/*******************************************************************
向有子地址器件发送多字节数据函数
函数原型:
bit ISendStr（ucharsla,ucharsuba,ucahr*s,ucharno）;
功能:
从启动总线到发送地址，子地址,数据，结束总线的全过程,从器件
地址sla，子地址suba，发送内容是s指向的内容，发送no个字节。
如果返回1表示操作成功，否则操作有误。
注意：
使用前必须已结束总线。
********************************************************************/
bitISendStr（ucharsla,ucharsuba,uchar*s,ucharno）
{
uchari;
Start_I2c（）; /*启动总线*/
SendByte（sla）; /*发送器件地址*/
if（ack==0）return（0）;
SendByte（suba）; /*发送器件子地址*/
if（ack==0）return（0）;
for（i=0;i {
SendByte（*s）; /*发送数据*/
if（ack==0）return（0）;
s++;
}
Stop_I2c（）; /*结束总线*/
return
（1）;
}
/*******************************************************************
向无子地址器件发送多字节数据函数
函数原型:
bit ISendStr（ucharsla,ucahr*s,ucharno）;
功能:
从启动总线到发送地址，子地址,数据，结束总线的全过程,从器件
地址sla，发送内容是s指向的内容，发送no个字节。
如果返回1表示操作成功，否则操作有误。
注意：
使用前必须已结束总线。
********************************************************************/
bitISendStrExt（ucharsla,uchar*s,ucharno）
{
uchari;
Start_I2c（）; /*启动总线*/
SendByte（sla）; /*发送器件地址*/
if（ack==0）return（0）;
for（i=0;i {
SendByte（*s）; /*发送数据*/
if（ack==0）return（0）;
s++;
}
Stop_I2c（）; /*结束总线*/
return
（1）;
}
/*******************************************************************
向无子地址器件读字节数据函数
函数原型:
bit IRcvByte（ucharsla,ucahr*c）;
功能:
从启动总线到发送地址，读数据，结束总线的全过程,从器件地
址sla，返回值在c.
如果返回1表示操作成功，否则操作有误。
注意：
使用前必须已结束总线。
********************************************************************/
bitIRcvByte（ucharsla,uchar*c）
{
Start_I2c（）; /*启动总线*/
SendByte（sla+1）; /*发送器件地址*/
if（ack==0）return（0）;
*c=RcvByte（）; /*读取数据*/
Ack_I2c
（1）; /*发送非就答位*/
Stop_I2c（）; /*结束总线*/
return
（1）;
}
/*******************************************************************
向有子地址器件读取多字节数据函数
函数原型:
bit ISendStr（ucharsla,ucharsuba,ucahr*s,ucharno）;
功能:
从启动总线到发送地址，子地址,读数据，结束总线的全过程,从器件
地址sla，子地址suba，读出的内容放入s指向的存储区，读no个字节。
如果返回1表示操作成功，否则操作有误。
注意：
使用前必须已结束总线。
*********************************
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