I2C總線在8051單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1、引言

　　I2C總線是PHILIPS公司推出的一種具備多主機系統(tǒng)所需的包括裁決和高低速設(shè)備同步等功能的高性能串行總線。它使用兩條線：串行數(shù)據(jù)線（sda）和串行時鐘線（SCL），使連接到該總線上可訪問的器件之間傳送信息，屬于多主控制總線。總線上的每個器件都有唯一的地址識別，而且都可以作為一個發(fā)送器或接收器。由于I2C總線的使用可以簡化電路，省掉了很多常規(guī)電路中的接口器件，提高產(chǎn)品的可靠性，在許多領(lǐng)域尤其在目前使用的IC卡獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　現(xiàn)今，8051系列的單片機應(yīng)用很廣，但是它們都沒有I2C總線接口。但是分析I2C總線的時序可知， I2C總線規(guī)定其時鐘線（SCL線）和和數(shù)據(jù)線（SDA線）是各設(shè)備對應(yīng)輸出狀態(tài)相“與”的結(jié)果，任一設(shè)備都可以用輸出低電平的方法延長SCL低電平時間，迫使高速設(shè)備進(jìn)入等待狀態(tài)，實現(xiàn)不同速度設(shè)備間的時鐘同步。因此，即使時鐘脈沖的高、低電平時間長短不一，也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳送，因此我們可以通過軟件控制單片機的普通I/O口做I2C接口，實現(xiàn)I2C總線功能。本文以ATMEL公司的具有I2C總線的AT24C256為例介紹I2C總線在8051單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用并給出C語言的軟件實現(xiàn)。

　　2、I2C總線構(gòu)成及時序

　　2.1 I2C總線組成

　　I2C總線是一個多主機總線，即可以連接多于一個能控制總線的器件到總線。I2C串行總線有兩根信號線：一根雙向的數(shù)據(jù)線SDA；另一根是時鐘線SCL。SDA和SCL都是雙向I/O口線，當(dāng)總線空閑時這兩條線路都是高電平。所有接到I2C總線上的器件的串行數(shù)據(jù)線都接到總線的SDA線，各器件的時鐘線都接到SCL總線上。其結(jié)構(gòu)如圖一所示。

　　2.2 I2C總線時序

　　所有主機在SCL線上產(chǎn)生自己的時鐘來傳輸I2C總線上的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只在時鐘的高電平周期有效，每傳輸一個數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個時鐘脈沖，數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線的時鐘信號是低電平時才能改變，當(dāng)SCL為高電平時，SDA的改變表示“開始”和“停止”狀態(tài)，即SDA由高電平轉(zhuǎn)入低電平表示開始，該命令必須在其它命令前執(zhí)行；SDA由低電平轉(zhuǎn)入高電平表示停止?fàn)顟B(tài)，該命令可終止所有通訊。在開始條件后，SCL低電平期間，SDA允許變化，每位數(shù)據(jù)需一個時鐘脈沖，當(dāng)SCL為高時，SDA必須穩(wěn)定，主控器在應(yīng)答時鐘脈沖高電平期間釋放SDA線，轉(zhuǎn)由接收器控制。相同總線上的設(shè)備在收到數(shù)據(jù)后，以置SDA為低電平的方式對其確認(rèn)?？偩€不忙時，數(shù)據(jù)線和時鐘線保持為高電平。I2C的時序如圖二所示。

　　3、8051單片機系統(tǒng)中I2C總線的實現(xiàn)

　　8051系列單片機上并不帶I2C總線，因此必須根據(jù)I2C總線的時序用單片機上的I/O口模擬I2C總線時序?qū)崿F(xiàn)其功能?，F(xiàn)以單片機應(yīng)用系統(tǒng)中較為常見的E2PROM中AT24C256為例，介紹在8051上利用普通I/O口實現(xiàn)I2C串行總線的方法和軟件設(shè)計。

　　AT24C256是ATMEL公司256kbit串行電可擦的可編程存儲器，8引腳雙排直插式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點，其引腳排列如圖三所示。

　　其中A0、A1為地址選擇輸入端。A0、A1用來區(qū)分各芯片地址，地址分布從0到3。A0、A1懸空時為0。SCL為串行時鐘輸入，上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫入存儲器，下降沿從存儲器讀出數(shù)據(jù)送SDA上。SDA是雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出口，用于存儲器與單片機之間的數(shù)據(jù)交換。WP為寫保護(hù)輸入。此引腳與地相連時，允許寫操作；與VCC相連時，所有的寫存儲器操作被禁止。如果不連，芯片內(nèi)部下拉到地；VCC接＋5V電源；GND接地；NC懸空。

　　AT24C256在開始狀態(tài)后需緊接一個8位器件地址，以進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。設(shè)備尋址碼的高4位為1、0、1、0，尋址碼高4位后面的三位是器件尋址碼，與它們的硬連線管腳相對應(yīng)。最低應(yīng)是讀寫選擇位，置0時可激發(fā)寫操作，置1激發(fā)讀操作。器件的具體的格式為：1010A2A1A0R/W，其中當(dāng)R/W為0時，為寫AT24C256，當(dāng)為1時為讀操作。

　　因為AT24C256片內(nèi)地址是以8位為單元的，其總存儲容量為256K，所以其片內(nèi)地址為從0到32767的任意數(shù)值。因此在編寫軟件時設(shè)置其片內(nèi)地址數(shù)據(jù)類型時要設(shè)置為unsigned int型，而不能為unsigned char型。

　　圖四所示為AT89S51單片機和AT24C256的接口圖,分別用I/O口P1.6、P1.7連接SDA和SCL總線。通過控制P1.7口的高低電平得到I2C的虛擬時鐘，P1.6口作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向端口，作為單片機和AT24C256之間的數(shù)據(jù)線。