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10k

1、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。