51單片機I2C總線應用工作原理

1. I2C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；另一根是時鐘線SCL。

I2C總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，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”關系。

每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時主機即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。

在多主機系統(tǒng)中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線。

2. I2C總線的數(shù)據(jù)傳送

（1）數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定

I2C總線進行數(shù)據(jù)傳送時，時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。

（2）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。

起始和終止信號都是由主機發(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來說，為了檢測起始和終止信號，必須保證在每個時鐘周期內對數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次。

接收器件收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內部中斷服務等，可能無法立刻接收下一個字節(jié)，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個字節(jié)時，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)進行。

（3）數(shù)據(jù)傳送格式

1.字節(jié)傳送與應答

每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。

由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機正在進行實時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，而由主機產(chǎn)生一個終止信號以結束總線的數(shù)據(jù)傳送。

如果從機對主機進行了應答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時，從機可以通過對無法接收的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應答”通知主機，主機則應發(fā)出終止信號以結束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。

當主機接收數(shù)據(jù)時，它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答”來實現(xiàn)的。然后，從機釋放SDA線，以允許主機產(chǎn)生終止信號。

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。

在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/），用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機產(chǎn)生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續(xù)占用總線進行新的數(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進行尋址。

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：

a、主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個傳送過程中不變：

注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機向主機傳送。

A表示應答，表示非應答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。

b、主機在第一個字節(jié)后，立即由從機讀數(shù)據(jù)

c、在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。

3.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字節(jié)）。

（1）尋址字節(jié)的位定義

D7～D1位組成從機的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，為“1”時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)。

主機發(fā)送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接收器。

從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機，從機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。如一個從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。

（2）起始字節(jié)

起始字節(jié)是提供給沒有I2C總線接口的單片機查詢I2C總線時使用的特殊字節(jié)。

不具備I2C總線接口的單片機，則必須通過軟件不斷地檢測總線，以便及時地響應總線的請求。單片機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)傳送要由一個較長的起始過程加以引導。引導過程由起始信號、起始字節(jié)、應答位、重復起始信號（Sr）組成。

請求訪問總線的主機發(fā)出起始信號后，發(fā)送起始字節(jié)（0000 0001），另一個單片機可以用一個比較低的速率采樣SDA線，直到檢測到起始字節(jié)中的7個“0”中的一個為止。在檢測到SDA線上的高電平后，單片機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起始信號Sr。

在起始信號后的應答時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脈沖期間作應答。

4. 80C51單片機I2C串行總線器件的接口

（1）總線數(shù)據(jù)傳送的模擬

主機可以采用不帶I2C總線接口的單片機，如80C51、AT89C2051等單片機，利用軟件實現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結合的信號模擬。

4.1.1典型信號模擬

為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標準的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴格的時序要求。I2C總線的起始信號、終止信號、發(fā)送“0”及發(fā)送“1”的模擬時序：

4.1.3典型信號模擬子程序

（1）起始信號

Void T2CStart(void)

{

SomeNop( );

SCL = 1;

SomeNop( );

SDA = 0;

SomeNop( );

SCL = 0;

SomeNop( );

}

（2）終止信號

void I2cStop(void)

{

SDA = 0;

SomeNop( );

SCL = 1;

SomeNop( );

SDA = 1;

SomeNop( );

SCL = 0;

}