淺談I2C總線工作原理與應(yīng)用

一.簡介

　　I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是一種由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)。由于其簡單性，如今方泛用于微控制器與各種功能模塊的連接，可以說是學(xué)單片機(jī)的人，入門之后，必定要涉及到的。

　　I2C 總線實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)在超過100 種不同的IC 上實(shí)現(xiàn)，而且得到超過50 家公司的許可，正因?yàn)槠浜唵魏蛻?yīng)用廣泛，因此其功能也越來不滿足人們的要求，其速度也從原來的100Kbit/S，增加了快速模式，其速度達(dá)400Kbit/S，再后來也增加了高速模式，其速度更達(dá)3.4Mbit/S。

　　二.功能和特點(diǎn)

　　I2C總線是一種用于IC器件之間連接的雙向二線制總線，所謂總線它上面可以掛多少器件，并且通個(gè)兩根線連接，占用空間非常的小，總線的長度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。它的另一優(yōu)點(diǎn)是多主控，只要能夠進(jìn)行接收和發(fā)送的設(shè)備都可以成為主控制器，當(dāng)然多個(gè)主控不能同一時(shí)間工作。

　　I2C總線有兩根信號線，一根為SDA（數(shù)據(jù)線），一根為SCL（時(shí)鐘線）。任何時(shí)候時(shí)鐘信號都是由主控器件產(chǎn)生。

　　I2C總線在傳送數(shù)據(jù)的過程中，主要有三種控制信號：起始信號，結(jié)不信號，應(yīng)答信號

　　起始信號：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，開始傳送數(shù)據(jù)

　　結(jié)束信號：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，結(jié)束數(shù)據(jù)傳送

　　應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的器件在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的器件發(fā)出低電平信號，表示已收到數(shù)據(jù)。這個(gè)信號可以是主控器件發(fā)出，也可以是從動(dòng)器件發(fā)出?？傊山邮諗?shù)據(jù)的器件發(fā)出。

　　這些信號中，起始信號是必需的，結(jié)束信號和應(yīng)答信號，都可以不要。

　　三.基本操作

　　下面我們以ATMEL公司的AT24C02來介紹I2C的基本操作

　　AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是內(nèi)含256×8bit存儲空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。他在系統(tǒng)中始終為從動(dòng)器件。

　　對AT24C02的操作主要有：字節(jié)讀，字節(jié)寫，頁面讀，頁面寫

　　首先發(fā)送起始信號，如下圖，起始信號后必須是控制字，

控制字格式如下，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，也就是三個(gè)地址位，最后一位為讀寫控制位，當(dāng)為1(Input)時(shí)為讀操作，為0(Output)時(shí)為寫操作。

　　控制字后就是相應(yīng)的操作，讀或?qū)?，一定不要結(jié)束，因?yàn)檫@個(gè)操作還沒有完成，如果結(jié)束就等于放棄操作。

　　先來看寫操作，寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種操作，對于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同，AT24C02為8字節(jié)，每寫一個(gè)字節(jié)后，地址自動(dòng)加1。關(guān)于頁面寫的地址、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序參見圖3，字節(jié)寫可以看成是只有一個(gè)字節(jié)的頁面寫，也就是寫一個(gè)數(shù)據(jù)后停止。注意：寫一次需要一定時(shí)間，一般為10ms，要等侍這個(gè)操作完成。時(shí)序如下圖：

　　說明：對于AT24C02，在控制字后還必須寫入地址，這個(gè)地址是以后讀寫的起始地址。

　　讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。三種操作方法類似，只是讀的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不同，可連續(xù)讀8個(gè)字節(jié)，圖4給出的是順序讀的時(shí)序圖，圖中共讀了四個(gè)數(shù)據(jù)，需要注意的是當(dāng)前的地址，如果不是想要的，可以用寫操作，重新寫入地址。非常重要的是，每讀一個(gè)數(shù)據(jù)后，必須置低SDA，作為應(yīng)答，否則，只能讀一個(gè)數(shù)據(jù)，后面的數(shù)據(jù)，因?yàn)槭盏讲粦?yīng)答信號，AT24C02就會認(rèn)為出錯(cuò)，停止操作。特別提醒的是，當(dāng)SCL為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)是可變的，因些只有SCL為高電平時(shí)，才能讀數(shù)。

四.例程序（51匯編，測試單片機(jī)為AT89C51，12M晶振）

　　電路連接如圖5，其中A0，A1，A2為地址線，本例中全部接地，因此全部為0。由于SCL和SDA為漏極開路輸出，所以在使用時(shí)，需加上拉電阻。

　　五. 結(jié)束語

　　在I2C總線的應(yīng)用中應(yīng)注意的事項(xiàng)總結(jié)為以下幾點(diǎn) :

　　1） 嚴(yán)格按照時(shí)序圖的要求進(jìn)行操作，

　　2） 若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機(jī)接口連接，可以不外加上拉電阻。

　　3） 程序中為配合相應(yīng)的傳輸速率，在對口線操作的指令后可用NOP指令加一定的延時(shí)。

　　4） 為了減少意外的干擾信號將EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)改寫可用外部寫保護(hù)引腳（如果有），或者在EEPROM內(nèi)部沒有用的空間寫入標(biāo)志字，每次上電時(shí)或復(fù)位時(shí)做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫。