51單片機(jī)與其應(yīng)用第八課I2C第一頁，共29頁。8.1I2C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（InterICBUS）總線、單總線（1－WIREBUS）、SPI（SerialPeripheralInterface）總線及Microwire/PLUS等。

本章僅討論I2C串行總線。第二頁，共29頁。8.1.1I2C串行總線概述

I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，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線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。第三頁，共29頁。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，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。第四頁，共29頁。

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，我們經(jīng)常遇到的是以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。

第五頁，共29頁。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。8.1.2I2C總線的數(shù)據(jù)傳送第六頁，共29頁。二、起始和終止信號

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；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。

第七頁，共29頁。起始和終止信號都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(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，則很容易檢測到起始和終止信號。對于不具備I2C總線硬件接口的有些單片機(jī)來說，為了檢測起始和終止信號，必須保證在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次。

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。

第八頁，共29頁。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）。

第九頁，共29頁。

由于某種原因從機(jī)不對主機(jī)尋址信號應(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)終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。如果從機(jī)對主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對無法接收的第一個(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。這個(gè)信號是由對從機(jī)的“非應(yīng)答”來實(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。第十頁，共29頁。（2）數(shù)據(jù)幀格式I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：在起始信號后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/），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)生的終止信號結(jié)束。但是，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，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機(jī)進(jìn)行尋址。

第十一頁，共29頁。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：注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。A表示應(yīng)答，表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。。第十二頁，共29頁。b、主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即由從機(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。第十三頁，共29頁。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)。第十四頁，共29頁。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/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。第十五頁，共29頁。（2）尋址字節(jié)中的特殊地址固定地址編號0000和1111已被保留作為特殊用途。

第十六頁，共29頁。起始信號后的第一字節(jié)的8位為“00000000”時(shí)，稱為通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節(jié)中加以說明。格式為：

第二字節(jié)為06H時(shí)，所有能響應(yīng)通用呼叫地址的從機(jī)器件復(fù)位，并由硬件裝入從機(jī)地址的可編程部分。能響應(yīng)命令的從機(jī)器件復(fù)位時(shí)不拉低SDA和SCL線，以免堵塞總線。第二字節(jié)為04H時(shí)，所有能響應(yīng)通用呼叫地址并通過硬件來定義其可編程地址的從機(jī)器件將鎖定地址中的可編程位，但不進(jìn)行復(fù)位。第十七頁，共29頁。如果第二字節(jié)的方向位B為“1”，則這兩個(gè)字節(jié)命令稱為硬件通用呼叫命令。

在這第二字節(jié)的高7位說明自己的地址。接在總線上的智能器件，如單片機(jī)或其他微處理器能識(shí)別這個(gè)地址，并與之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機(jī)使用時(shí)，也用這個(gè)地址作為從機(jī)地址。格式為：

在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)硬件主機(jī)器件工作在從機(jī)接收器方式，這時(shí)由系統(tǒng)中的主機(jī)先告訴硬件主機(jī)器件數(shù)據(jù)應(yīng)送往的從機(jī)器件地址，當(dāng)硬件主機(jī)器件要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就可以直接向指定從機(jī)器件發(fā)送數(shù)據(jù)了。第十八頁，共29頁。（3）起始字節(jié)不具備I2C總線接口的單片機(jī)，則必須通過軟件不斷地檢測總線，以便及時(shí)地響應(yīng)總線的請求。單片機(jī)的速度與硬件接口器件的速度就出現(xiàn)了較大的差別，為此，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送要由一個(gè)較長的起始過程加以引導(dǎo)。

起始字節(jié)是提供給沒有I2C總線接口的單片機(jī)查詢I2C總線時(shí)使用的特殊字節(jié)。第十九頁，共29頁。

引導(dǎo)過程由起始信號、起始字節(jié)、應(yīng)答位、重復(fù)起始信號（Sr）組成。請求訪問總線的主機(jī)發(fā)出起始信號后，發(fā)送起始字節(jié)（00000001），另一個(gè)單片機(jī)可以用一個(gè)比較低的速率采樣SDA線，直到檢測到起始字節(jié)中的7個(gè)“0”中的一個(gè)為止。在檢測到SDA線上的高電平后，單片機(jī)就可以用較高的采樣速率，以便尋找作為同步信號使用的第二個(gè)起始信號Sr。在起始信號后的應(yīng)答時(shí)鐘脈沖僅僅是為了和總線所使用的格式一致，并不要求器件在這個(gè)脈沖期間作應(yīng)答。

第二十頁，共29頁。8.280C51單片機(jī)I2C串行總線器件的接口一、典型信號模擬為了保證數(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、終止信號、發(fā)送“0”及發(fā)送“1”的模擬時(shí)序：

8.2.1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)合的信號模擬。

第二十一頁，共29頁。第二十二頁，共29頁。二、典型信號模擬子程序（1）起始信號VoidT2CStart(void){ SomeNop(); SCL=1; SomeNop(); SDA=0; SomeNop(); SCL=0; SomeNop();}第二十三頁，共29頁。（2）終止信號voidI2cStop(void){ SDA=0; SomeNop(); SCL=1; SomeNop(); SDA=1; SomeNop(); SCL=0;}第二十四頁，共29頁。

8.2.2I2C總線器件的擴(kuò)展一、擴(kuò)展電路

第二十五頁，共29頁。

二、串行E2PROM的擴(kuò)展

（1）串行E2PROM典型產(chǎn)品AT24C01：128字節(jié)（128×8位）；AT24C02：256字節(jié)（256×8位）；AT24C04：512字節(jié)（512×8位）AT24C08：1K字節(jié)（1K×8位）；AT24C16：2K字節(jié)（2K×8位）；ATMEL公司的AT24C系列：

第二十六頁，共29頁。

（2）寫入過程

AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分為1010，A2、A1、A0引腳接高、低電平后得到確定的3位編碼。形成的7位編碼即為該器件的地址碼。單片機(jī)進(jìn)行寫操作時(shí)，首先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（共8位，即一個(gè)字節(jié)），發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘信號。被選中的存儲(chǔ)器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號作為相應(yīng)，單片機(jī)收到應(yīng)答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。第二十七頁，共29頁。

傳送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)首先發(fā)送一個(gè)字節(jié)的被寫入器件的存儲(chǔ)區(qū)的首地址，收到存儲(chǔ)器器件的