I2C协议说明及verilog实现读写I2C器件

三英卓越科技发展有限公司产品用户手册K2FPGA开发板实验教程UserManualUM01010101V0.00Date:2011/4/22类别内容关键词IIC摘要通过PCF8563时钟芯片，了解FPGA读写IIC时序的方法声明本教程大部分资料取自网络，笔者仅做整理以做助学之用。三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册三英卓越科技发展有限公司iK2FPGA修改历史版本日期原因作者V0.012011.4.21创建三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册三英卓越科技发展有限公司iiK2FPGA购买方式三英卓越科技发展地址：哈尔滨市南岗区学府路52号邮编：150040电话：[phone]手机：1511455900313936266034淘宝地址：卓越工程师之家：=wangwang&shop_nick=sanying00广州卓越工程师之家：=wangwang&shop_nick=sanying03诚招代理对我们公司产品感兴趣的公司及个人均可与我们联系商议代理事宜！三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册哈尔滨三英卓越科技发展有限公司1K2FPGA目录1.I2C协议简介.............................................................................................................1 1.1 I2C串行总线概述........................................................................................................1 1.2 I2C总线的数据传送....................................................................................................1 1.2.1 起始和终止信号...............................................................................................1 1.2.2 数据位的有效性规定.......................................................................................2 1.2.3 数据传送格式...................................................................................................2 1.2.4 I2C总线寻址....................................................................................................4 2.PCF8563应用...........................................................................................................5 2.1 概述...............................................................................................................................5 2.2 特性...............................................................................................................................5 2.3 应用电路.......................................................................................................................5 2.4 硬件连接.......................................................................................................................6 3.代码示例...................................................................................................................7 4.故障分析.................................................................................................................17 三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册三英卓越科技发展有限公司1K2FPGA1.I2C协议简介1.1I2C串行总线概述I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。如图1-1所示，I2C总线只有两根双向信号线：一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。图1-1I2C总线如图1-2所示，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1-2I2C总线连接方式每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址，主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱，I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。在嵌入式应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以嵌入式微处理器为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。1.2I2C总线的数据传送1.2.1起始和终止信号如图1-3所示，SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册三英卓越科技发展有限公司2K2FPGA图1-3I2C总线起始和终止信号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；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。接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。1.2.2数据位的有效性规定如图1-4所示，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。即，若想改变SDA信号线上的数据位，只能在SCL信号线低电平的时候改变，否则将会是从机器件认为是起始或终止信号。图1-4有效的数据位传输1.2.3数据传送格式1)字节传送与应答如图1-5所示，每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位(MSB)，每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位(即一帧共有9位)。三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册三英卓越科技发展有限公司3K2FPGA图1-5I2C信号格式由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时(如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据)，它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。2)数据帧格式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。在起始信号后必须传送一个从机的地址(7位)，第8位是数据的传送方向位(R/T)，用“0”表示主机发送数据(T)，“1”表示主机接收数据(R)。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：a)主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变，如图1-6所示。图1-6方式1注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A表示应答，A非表示非应答(高电平)。S表示起始信号，P表示终止信号。b)主机在第一个字节后，立即从从机读数据，如图1-7所示。图1-7方式2c)在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相，如图1-8所示。三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册三英卓越科技发展有限公司4K2FPGA图1-8方式31.2.4I2C总线寻址I2C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节(寻址字节是起始信号后的第一个字节)，其格式如图1-9所示，D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。图1-9寻址字节位定义主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。三英卓越科技发展有限公司实验教程产品用户手册三英卓越科技发展有限公司5K2FPGA2.PCF8563应用2.1概述PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传输。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。2.2特性z低工作电流：典型值为0.25μA(VDD=3.0V，Tamb=25℃时)。z世纪标志。z大工作电压范围：1.0～5.5。z低休眠电流；典型值为0.25μA(VDD=3.0V，Tamb=25)℃。z400KHz的I2C总线接口(VDD=1.8～5.5V时)。z可编程时钟输出频率为：32.768KHz，1024Hz，32Hz，1Hz。z报警和定时器。z掉电检测器。z内部集成的振荡器电容。z片内电源复位功能。zI2C总线从地址：读，0A3H；写，0A2H。z开漏中断引脚。2.3应用电路PCF8563的应用电路如图2-1所示。该应用中为芯片提供了两种电源，即电池和板载3.3V电源，用户可以自行选择供电方式。同时，中断