硬件总线接口系列－I2C

硬件总线接口系列－I2C

 

在现代电子系统中，有为数众多的IC需要进行相互之间以及与外界的通信。为了提供硬件的效率和简化电路的设计，PHILIPS开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C（Inter-integrated circuit）。

 

每个器件都有一个唯一的地址，而且可以是单接收的器件（例如：LCD驱动器）或者可以接收也可以发送的器件（例如：存储器）。发送器或接收器可以在主模式或从模式下操作，这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。I2C是一个多主总线，即它可以由多个连接的器件控制。

 

I2C 总线的一些特征

• 只要求两条总线线路一条串行数据线SDA 一条串行时钟线SCL

• 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器

• 它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏

• 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s 快速模式下可达400kbit/s 高速模式下可达3.4Mbit/s

• 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整

• 连接到相同总线的IC 数量只受到总线的最大电容400pF 限制

 

传输速率

基本的I2C总线规范于20年前发布，其数据传输速率最高为100Kbits/s，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。

 

I2C总线始终和先进技术保持同步，但仍然保持其向下兼容性。并且最近还增加了高速模式，其速度可达3.4Mbits/s。它使得I2C总线能够支持现有以及将来的高速串行传输应用，例如EEPROM和Flash存储器。

 

对于大于256字节的寻址空间是如何读取的呢？？？？？？？？？

 

设备地址

协议格式中第一个字节(为slave address)由7位地址和一位R/W读写位组成的，这字节是个器件地址。

 

常用IIC接口通用器件的器件地址是由种类型号，及寻址码组成的，共7位。

如格式如下：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

1、器件类型：D7-D4 共4位决定的。这是由半导公司生产时就已固定此类型的了，也就是说这4位已是固定的。

 

2、用户自定义地址码：D3-D1共3位。这是由用户自己设置的，通常的作法如EEPROM这些器件是由外部IC的3个引脚所组合电平决定的（用常用的名字如A0,A1,A2）。这也就是寻址码。所以为什么同一IIC总线上同一型号的IC只能最多共挂8片同种类芯片的原因了。

 

3、最低一位就是R/W位，，“0”表示写，“1”表示读（通常读写信号中写上面有一横线，表示低电平）。所以I2C设备通常有两个地址，即读地址和写地址

 

读写时序

要知道，主机向从访问时：

先向总线发出芯片地址

如果有芯片地址正确的芯片，会产生一个SDA上应答。

接着主机再发出应答过的芯片发出将要所进行操作的片内地址。

芯片地址正确的芯片，会再产生一个SDA上应答。

此时如果是读操作，从芯片将输出数据到SDA上。如果是写操作，主机会将数据写到SDA上。

就这样可以完成了一个读或写的操作。当然这里面还开始和停止位这些动作。

 

SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线的高或低电平状态只有在SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变。。为什么啊？？

 

因为I2C总线规范就是这样定义的。如果不符合这样的要求，I2C总线就定义为起始位或者停止位。

起始位的定义：时钟为高电平时，SDA 线上的电平由高变为低；

停止位的定义：时钟为高电平时，SDA 线上的电平由低变为高。

所以数据在SCL高电平期间必须保持稳定，数据的改变必须发生在SCL=0期间。

 

典型器件：

EEPROM AT24C系列 AT24C02/04/08/16…../256，128byte－32K

地址1010

8-bit A/D and D/A converter PCF8591 地址1001

键盘 ZLG7290 http://www.zlgmcu.com/philips/iic/zlg7290.asp

LED SAA1064

http://hi.baidu.com/alone6230/blog/item/0ebf50d8ff802c3132fa1c1c.html

I2C I/O扩展芯片PCF8574，如LCD1602变成了I2C接口

拓扑连接

上拉电阻，集电极开漏门

 

 

http://hi.baidu.com/wengqiaoyi/blog/item/e82c6055d6c14ec6b745ae9d.html

利用I2C总线的24C系列串行E2PROM的读写

 

I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。

 

1．I2C总线的基本结构　采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。

 

2．双向传输的接口特性　传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如MCS51系列的TXD和RXD，而I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，而当其从总线上接收信息时，又成为接收器(也叫从器件)。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。

 

总线上主和从(即发送和接收)的关系不是一成不变的，而是取决于此时数据传送的方向。SDA和SCL均为双向I/O线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线都是高电平。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。

 

3．I2C总线上的时钟信号　在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。

 

当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。

 

4．数据的传送　在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始和结束。在I2C总线技术规范中，开始和结束信号（也称启动和停止信号）的定义：当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为高电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。开始和结束信号都是由主器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。

 

I2C总线的数据传送格式是：在I2C总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/W)。方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位(R/W)确定。

 

在I2C总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位（第9位），也叫应答位（ACK）。数据的传送过程如图3所示。每次都是先传最高位，通常从器件在接收到每个字节后都会作出响应，即释放SCL线返回高电平，准备接收下一个数据字节，主器件可继续传送。如果从器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收I2C总线上的数据字节）可以使时钟SCL线保持低电平，从器件必须使SDA保持高电平，此时主器件产生1个结束信号，使传送异常结束，迫使主器件处于等待状态。当从器件处理完毕时将释放SCL线，主器件继续传送。

 

当主器件发送完一个字节的数据后，接着发出对应于SCL线上的一个时钟（ACK）认可位，在此时钟内主器件释放SDA线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将SDA线拉成低电平，使SDA在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。从器件的响应信号结束后，SDA线返回高电平，进入下一个传送周期。

 

I2C总线还具有广播呼叫地址用于寻址总线上所有器件的功能。若一个器件不需要广播呼叫寻址中所提供的任何数据，则可以忽略该地址不作响应。如果该器件需要广播呼叫寻址中提供的数据，则应对地址作出响应，其表现为一个接收器。

 

5．总线竞争的仲裁　总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况。例如，多单片机系统中，可能在某一时刻有两个单片机要同时向总线发送数据，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。（和CAN总线的仲裁原理一样）

 

6. I2C总线接口器件　目前在视频处理、移动通信等领域采用I2C总线接口器件已经比较普遍。另外，通用的I2C总线接口器件，如带I2C总线的单片机、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驱动器等器件，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。

 

现在常用I2C总线接口的串行E2PROM器件，如AT24C02/04/08/16…../256等。（02 即 2kbit.）

 

AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。

 

AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。在AT89C51试验开发板上它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.5连接。第6脚SCL为串行时钟输入线，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.6连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。第7脚需要接地。

 

24C02中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。

 

I2C(Inter－Integrated Circuit)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总线产生于在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。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。

　　1 I2C总线特点

　　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。

　　2 I2C总线工作原理

　　2.1 总线的构成及信号类型

　　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。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。

　　I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

　　开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

　　结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

　　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。

　　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。

　　3 总线基本操作

　　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。

　　3.1 控制字节

　　在起始条件之后，必须是器件的控制字节，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。

　　3.2 写操作

　　写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。

　　3.3 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。图4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。

　　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。