I2C总线器件应用实例

项目4I2C总线器件应用实例4.1I2C总线简介I2C(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于上世纪80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。4.2I2C总线的构成和信号类型1）I2C总线的构成I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps，采用7位寻址，但是由于数据传输速率和应用功能的迅速增加，I2C总线也增强为快速模式（400Kbits/s）和10位寻址以满足更高速度和更大寻址空间的需求。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址。在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。2）I2C总线的信号类型I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：起始信号、终止信号和应答信号。起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。终止信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。图4-1I2C总线开始和结束信号定义应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。如下图所示图4-2I2C总线应答信号定义3）数据位的有效性规定I2C总线进行数据传送时，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。如下图所示图4-3数据的传送过程4）I2C总线上一次典型的工作流程（1）开始：发送开始信号，表明传输开始。（2）发送地址：主设备发送地址信息，包含7位的从设备地址和1位的指示位（表明读或者写，即数据流的方向）。（3）发送数据：根据指示位，数据在主设备和从设备之间传输。数据一般以8位传输，最重要的位放在前面；具体能传输多少量的数据并没有限制。接收器上用一位的ACK（应答信号）表明每一个字节都收到了。传输可以被终止和重新开始。（4）停止：发送停止信号，结束传输。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。4.3I2C总线接口电路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。图4-4I2C总线接口电路结构通过线“与”，I2C总线的外围扩展示意图如下图所示，它给出了单片机应用系统中最常使用的I2C总线外围通用器件。图4-5I2C总线接口4.4I2C总线的传输协议与数据传送I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。如下图所示图4-6串行总线上的数据传送顺序1）控制字节在起始条件之后，必须是从器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。从器件的控制字节如下图所示图4-7从器件的控制字节2）写操作写操作分为字节写和页面写两种，在页面写方式下要根据芯片的一次装载的字节不同而有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序如下图所示。灰色部分由80C51发送，白色部分由24CXX发送。图4-8页面写地址、应答和数据传送的时序图说明:(1)其中S表示开始信号，A是应答信号，P是停止信号。(2)SLAw是从器件的控制地址（最后一位为0，表示操作）；(3)SADR是要写入页面的首地址。3）读操作读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。下图给出的是顺序读的时序图。应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。图4-9顺序读时序图说明：(1)其中S表示开始信号，A是应答信号，P是停止信号。(2)SLAw是从器件的控制地址（最后一位为0，表示写操作）；(3)SLAR是从器件的控制地址（最后一位为1，表示读操作）；(4)SADR是读出单元的首地址。在I2C总线的应用中应注意的事项总结为以下几点:（1）严格按照时序图的要求进行操作，（2）若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻。（3）程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时。（4）为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断EEPROM是否被意外改写。4.5I2C总线接口器件AT24C04应用实例主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，AT89C51、AT89C2051等单片机，利用软件实现I2C总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。1）典型信号模拟时序图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、发送“0”及发送“1”的模拟时序如下图所示：图4-10典型信号模拟时序图2）典型信号模拟子程序见下面程序3）应用实例:AT89C51对AT24C04进行单字节的读写操作AT24C04是ATMEL公司的CMOS结构4096位（512Byte×8位）串行EEPROM，16字节页面写。与AT89C51单片机接口如下图所示。SDA是漏极开路输出，上拉电阻的选择可参考AT24C04的数据手册。下面是通过I2C接口对AT24C04进行单字节写操作的例程。图4-11AT24C04和51单片机接口示意图以下为C语言写的软件模拟I2C总线的数据传送读写程序，I2C芯片为AT24C04。单片机对AT24C04进行单字节的读写操作。/**********************************************************I2C芯片AT24C04单字节的读写程序，其地址为0。*功能是把数据0xaa存储到地址5中，*然后读出并通过P0口驱动LED显示**********************************************************/#includereg51.h#includeintrins.h#defineucharunsignedchar#definenop_nop_()sbitsda=P1^7;//SDA和单片机的P17脚相连sbitscl=P1^6;//SCL和单片机的P16脚相连//定义ACC的位，利用ACC操作速度最快sbita0=ACC^0;sbita1=ACC^1;sbita2=ACC^2;sbita3=ACC^3;sbita4=ACC^4;sbita5=ACC^5;sbita6=ACC^6;sbita7=ACC^7;//开始函数voidstart(){sda=1;nop;scl=1;nop;sda=0;nop;scl=0;nop;}//停止函数voidstop(){sda=0;nop;scl=1;nop;sda=1;nop;}//响应函数voidack(){uchari;scl=1;nop;while((sda==1)&&(i250))i++;scl=0;nop;}//写一个字节函数voidwrite_byte(uchardd){ACC=dd;sda=a7;scl=1;scl=0;sda=a6;scl=1;scl=0;sda=a5;scl=1;scl=0;sda=a4;scl=1;scl=0;sda=a3;scl=1;scl=0;sda=a2;scl=1;scl=0;sda=a1;scl=1;scl=0;sda=a0;scl=1;scl=0;sda=1;}//读一个字节函数ucharread_byte(){sda=1;scl=1;a7=sda;scl=0;scl=1;a6=sda;scl=0;scl=1;a5=sda;scl=0;scl=1;a4=sda;scl=0;scl=1;a3=sda;scl=0;scl=1;a2=sda;scl=0;scl=1;a1=sda;scl=0;scl=1;a0=sda;scl=0;sda=1;return(ACC);}//写地址和数据函数voidwrite_add(ucharaddress,uchardate){start();write_byte(0xa0);//写2404地址命令ack();write_byte(address);//写地址ack();write_byte(date);//写数据ack();stop();}//读地址、数据函数ucharread_add(ucharaddress){uchartemp;start();write_byte(0xa0);ack();write_byte(address);ack();start();write_byte(0xa1);ack();temp=read_byte();stop();return(temp);}voiddelay(uchari){uchara,b;for(a=0;ai;i++)for(b=0;b100;b++);}voidinit(){sda=1;nop;scl=1;nop;}voidmain(){init();//初始化函数write_add(5,0xaa);//往地址5中写入0xaadelay(100);P0=read_add(5);//读地址5中的数据，并送P0口驱动发光二极管显示while(1);//无限循环}