I2C串行接口介绍

I2C串行总线通信原理采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。

同时，系统的更改和扩充极为容易。

常用的串行扩展总线有：I2C （Inter IC BUS）总线、单总线（1－WIRE BUS）、SPI（Serial Peripheral Interface）总线等。

本章仅讨论I2C串行总线。

一、IIC概述IIC(Inter-Integrated Circuit)总线，许多文献写作I2C，主要用于同一电路板内各集成电路模块(IC)之间的连接。

IIC采用双向2线制串行数据传输方式，简化IC之间的通信连接。

IIC协议是PHILIPS公司于二十世纪八十年代初提出，其后，PHILIPS和其他厂商提供了种类丰富的IIC兼容芯片。

目前，IIC总线标准已经成为世界性的工业标准。

各大半导体公司推出了大量的带有IIC接口的芯片，如RAM、EEPROM、Flash ROM、A/D、D/A转换、LED/LCD驱动、I/O接口、实时时钟等。

二、IIC总线特点在硬件结构上，它采用数据(SDA)和时钟(SCL)两根线来完成数据的传输及外围器件的扩展，任何一个具有IIC总线接口的外围器件，不论其功能差别有多大，都具有相同的电气接口，因此都可以挂接在总线上，使其连接方式变得十分简单。

对各器件的寻址是软寻址方式，因此节点上没有必须的片选线，器件地址给定完全取决于器件类型与单元结构，这也简化了IIC系统的硬件连接。

另外IIC总线能在总线竞争过程中进行总线控制权的仲裁和时钟同步，并且不会造成数据丢失，因此由IIC总线连接的多机系统可以是一个多主机系统，支持多主控。

串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。

三、IIC总线的相关术语①主机(主控器)：在IIC总线中，提供时钟信号，对总线时序进行控制的器件。

主机负责总线上各个设备信息的传输控制，检测并协调数据的发送和接收。

主机对整个数据传输具有绝对的控制权，其它设备只对主机发送的控制信息作出响应。

如果在IIC系统中只有一个MCU，那么由MCU担任主机。

②从机(被控器)：在IIC系统中，除主机外的其他设备均为从机。

主机通过从机地址访问从机，对应的从机作出响应，与主机通信。

从机之间无法通信，任何数据传输都必须通过主机进行。

③地址：每一个IIC器件都有自己的地址，以供自身在从机模式下使用。

在标准的IIC中定义从机地址是7位(扩展IIC允许10位地址)。

④发送器：发送数据到总线的器件。

⑤接收器：从总线接收数据的器件。

⑥SDA(Serial DAta)：串行数据线。

⑦SCL(Serial CLock)：串行时钟线。

四、IIC总线工作原理下图给出一个由MCU作为主机，通过IIC总线带3个从机的单主机IIC总线系统。

这是最常用、最典型的IIC总线连接方式。

IIC系统由一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL组成。

I2C总线通过上拉电阻接正电源。

当总线空闲时，两根线均为高电平。

连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

上拉电阻一般为10k1、总线上数据的有效性规定IIC 总线是以串行方式传输数据，I 2C 总线进行数据传送时，从数据字节的最高位开始传送，每一个数据位在SCL 上都有一个时钟脉冲相对应。

时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

（一）、I 2C 总线的数据传送2、起始、终止信号和应答信号起始信号(START)：如下图所示，当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，主机就向从机产生开始信号。

当总线空闲的时候，主机通过发送开始(START)信号建立通信。

停止信号(STOP)：如下图所示，当SCL 为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，产生停止信号。

主机通过发送停止信号，结束数据通信。

起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态，其它器件不能再产生开始信号。

在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。

连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。

应答信号：应答信号(A)：接收数据的IC在接收到8位数据后，向发送数据的IC发出的低电平脉冲应答。

每一个数据字节后面都要跟一位应答信号，表示已收到数据。

应答信号在第9个时钟周期出现（scl=1），这时发送器必须在这一时钟位上释放数据线，由接收设备拉低SDA电平来产生应答信号。

所以，一个完整的字节数据传输需要9个时钟脉冲。

非应答信号：如果接收设备保持SDA的高电平则产生非应答信号。

如果从机作为接收方向主机发送非应答信号，这样，主机方就认为此次数据传输失败；如果是主机作为接收方，在从机发送器发送完一个字节数据后，发送了非应答信号，从机就认为数据传输结束，并释放SDA线。

不论是以上哪种情况都会终止数据传输。

应答信号由接收器产生，总线上带有IIC总线接口的器件很容易检测到这些信号。

3、数据传送格式I2C总线发送器送到SDA线上的每个字节必须为8位长，传送时高位在前，低位在后。

与之对应，主器件在SCL线上产生8个脉冲；第9个脉冲低电平期间，发送器释放SDA线，接收器把SDA线拉低，以给出一个接收确认位；每传1个字节需要9个时钟脉冲4、主机向从机读写数据的过程I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

（1）主机向从机写入一个字节数据的操作过程STO PA 数据A 被访A 0从START W 应答主机写的一个字节数据主机要向从机写1个字节数据时，主机首先产生START信号，然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位(R/W)，0表示主机发送数据(写)，1表示主机接收数据(读)，这时候主机等待从机的应答信号(A)，当主机收到应答信号时，发送要访问的子地址，继续等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，发送1个字节的数据，继续等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，产生停止信号，结束传送过程。

（2）主机要从从机读出1个字节数据的操作过程ST A 数据A 1从机地址star A 被子地址A 0从star 应答信号应答信号R 主机读入的一个字节数据非应答信号主机要从从机读1个字节数据时，主机首先产生START信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从机写命令，这时候主机等待从机的应答信号(A)，当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号，当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式(主机将由发送变为接收，从机将由接收变为发送)所以主机发送重新开始信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据，这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不再接收数据，主机进而产生停止信号，结束传送过程。

5、从机的寻址约定为了消除IIC总线系统中主控器与被控器的地址选择线，最大限度地简化总线连接线，IIC总线采用了独特的寻址约定，规定了开始信号后的第一个字节为寻址字节，用来寻址被控器件，并规定数据传送方向。

寻址字节的位定义D7～D1位组成从机的地址。

D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。

主控器发送开始信号后，立即发送寻址字节，这时，总线上的所有器件都将寻址字节中的7位地址与自己器件地址比较。

如果两者相同，则该器件认为被主控器寻址，并发送应答信号，被控器根据读，写位确定自身是作为发送器还是接收器。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。

在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。

如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。

五、8051单片机模拟IIC总线通信协议一、典型信号模拟为了保证数据传送的可靠性，标准的I2C总线的数据传送有严格的时序要求。

I2C总线的起始信号、终止信号、应答发送“0”及非应答发送“1”的模拟时序：单片机在模拟IIC总线通信时，需要写出如下几个关键部分的程序：总线初始化、启动信号、应答信号、停止信号、写一个字节、读一个字节，下面结合前面的时序图及文字描述写出这些相应的子函数1、总线初始化Void init( ){SCL=1;SDA=1;delay( );//将总线拉高以释放总线}2 、起始信号Void T2CStart(void){SDA=1;SCL = 1;delay( );SDA = 0;delay（）；//scl高电平器件，sda一个下降沿启动信号}3、终止信号void Stop(void) {SDA = 0;SCL = 1;delay（）；SDA = 1;delay（）；}4、应答信号Void ack( ){uchar i；scl=1；while((sda==1)&&(i<200))i++；scl=0;delay( );}5、写入一个字节子函数void i2csend8bit(uchar date){uchar i, temp;temp=date;for(i=0;i<8;i++){temp=temp<<1;scl=0;// pay attention to the clock signdelay();sda=CY;delay();scl=1;delay();}scl=0;delay();sda=1;//r8位数据传送完之后要进行总线的释放 delay();}6、读出一个字节子函数uchar i2creceive8bit(void){uchar i, rec;scl=0;delay();sda=1;delay(); //we should release the bus before the receive beginnin g for(i=0;i<8;i++){scl=1;delay();rec=(rec<<1)|sda;//read in the sdascl=0;delay();}return(rec);}六、串行E2PROM AT24C02与单片机的通信六、串行E2PROM AT24C02与单片机的通信ATMEL公司的AT24C系列：AT24C01：128字节（128×8位）；AT24C02：256字节（256×8位）；AT24C04：512字节（512×8位）AT24C08：1K字节（1K×8位）；AT24C16：2K字节（2K×8位）；（2）写入过程AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010，A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码。