2015年（29）
分类： 嵌入式
2015-04-15 12:12:36
对于一些高级的处理器，可能提供专门的I2C控制单元，对于这些处理器来说，编程人员只需要通过Datasheet了解如何操作该I2C控制器即可，而不需要了解I2C协议以及I2C时序；只需要设置好对应的控制寄存器，并将数据放入到控制器的发送缓存器中，I2C控制器自动会将数据发送出去，这是因为在控制器中已经对I2C协议进行了封装，该封装可能是以软件逻辑的形式进行，也可能在硬件级别上就行了封装，不管是在软件级别还是硬件级别的封装，反正，我们只需要通过I2C软件的控制接口，就可以实现I2C的数据传输。
那对于一些较为低级的单片机，没有I2C控制器该怎么办？
那就只能自己动手，丰衣足食。根据I2C的时序图（即协议），在软件级别完成I2C协议了。
一、I2C原理
1、 二线制结构。即双向的串行数据线 SDA、串行同步时钟线 SCL。总线上的所有器件其同名端都分别挂在 SDA、SCL 线上，如下图：
2、I C总线所有器件的SDA、SCL引脚的输出驱动都为漏极开路结构，通过外接上拉电阻将总线上所有节点的SDA、SCL信号电平实现“线与”的逻辑关系。这不仅可以将多个节点器件按同名端引脚直接挂在SDA、SCL线上，还使I2C总线具备了“时钟同步”、确保不同工作速度的器件同步工作；
3、系统中的所有外围器件都具有一个 7 位的 “从器件专用地址码”,其中高 4 位为器件类型地址（由生产厂家制定），低 3 位为器件引脚定义地址（由使用者定义），主控器件通过地址码建立多机通信的机制。因此I2C总线省去了外围器件的片选线，这样无论总线上挂接多少器件，其系统仍然为简约的二线结构；
4、I2C总线上的所有器件都具有“自动应答”功能，保证了数据交换的正确性；
5、I2C总线系统具有“时钟同步”功能。利用SCL线的“线与”逻辑协调不同器件之间的速
度问题；
6、在I2C总线系统中可以实现“多主机（主控器）”结构。依靠“总线仲裁”机制确保系统
中任何一个主控器都可以掌握总线的控制权。任何一个主控器之间没有优先级，没有中心主机的特权。当多主机竞争总线时，依靠主控器对其SDA信号的“线与”逻辑，自动实现“总线仲裁”功能；
7、I2C总线系统中的主控器必须是带CPU 的逻辑模块；而被控器可以是无CPU 的普通外围器件，也可以是具有CPU 的逻辑模块。主控器与被控器的区别在于SCL的发送权，即对总线的控制权；
8、I2C总线不仅广泛应用于电路板级的“内部通信”场合，还可以通过I2C总线驱动器进行不同系统间的通信；
9、I2C总线的工作速度分为3种版本：S（标准模式），速率为100kb/s。主要用于简单的检 测与控制场合；F（快速模式），速率为400kb/s ；Hs（高速模式），速率为3.4Mb/s 。
二、I2C工作过程与时序
总线上的所有通信都是由主控器引发的。在一次通信中，主控器与被控器总是在扮演着两种不同的角色。
1、 主控制器向被控器发送数据
操作过程如下：
（1） 主控器在检测到总线为“空闲状态”（即 SDA、SCL 线均为高电平）时，发送一个启动信号“S”，开始一次通信的开始；
（2） 主控器接着发送一个命令字节。该字节由 7 位的外围器件地址和 1 位读写控制位 R/W组成（此时 R/W=0 ）；
（3） 相对应的被控器收到命令字节后向主控器回馈应答信号ACK（ACK=0 ）；
（4） 主控器收到被控器的应答信号后开始发送第一个字节的数据；
（5） 被控器收到数据后返回一个应答信号 ACK；
（6） 主控器收到应答信号后再发送下一个数据字节； … …
（7） 当主控器发送最后一个数据字节并收到被控器的 ACK 后，通过向被控器发送一个停止信号P 结束本次通信并释放总线。被控器收到P 信号后也退出与主控器之间的通信。
如图，为通讯过程示意图：
现在的问题时，如何实现上述的过程？
那就需要看时序图了。如下图为主控向被控单元写一个字节的时序图：
通过该时序图就可以进行编程了：
1、 初始化，从上图可以看出，初始时刻的SDA和SCL都为1。初始化函数如下：
void I2C_init(void)
{
SCL = 1;
delay();
SDA = 1;
delay();
}
说明：挺简单，就是把SCL和SDA都拉高，其中，对SDA拉高认为是对数据线的释放。
2、 主控器发送开始信号START。如下图为START信号的时序：
说明：在SCL为高电平时，SDA出现一个SDA，就代表产生一个START信号。
程序如下：
void I2C_Start(void)
{
SDA = 1; //使SDA变为高，使之能在后面产生下降沿
delay();
SCL = 1; //SCL拉高
delay();
SDA = 0; //SCL为高电平情况下，SDA拉低，产生下降沿，开始信号完成
delay();
SCL = 0; //主控获取SCL，记住，在开始后，主控要将SCL信号把握在自己手里
delay();
SDA = 1; //释放数据总线，在SCL=0时，可以随时改变SDA
}
3、 主控器发送停止信号P。如下为停止信号的时序图。
说明：在SCL为高电平时，SDA产生一个上升沿，就是停止信号，代码如下：
void I2C_Stop(void)
{
SDA = 0; //拉低SDA，使后续产生上升沿
delay();
SCL = 1;
delay();
SDA = 1; //SDA产生上升沿，此时SCL、SDA都为1，表示该主控放弃总线控制
delay();
}
4、 主控在发送数据后，等待从机返回ACK。如下为等待ACK的时序图。
说明：等待从机应答的过程中，SCL信号还是由主控进行控制，而SDA交个从机，如果从机在上升沿来临之前，将SDA拉低，就代表发送一个ACK，未拉低，代表无ACK，主控根据是否有ACK来决定下一步动作，比如数据重发。代码如下：
bit I2C_WaitACK()
{
bit ret_bit = 1; //保存返回值
SCL = 0; //保证改变SDA时，SCL=0,否则，就是发送S或P信号
delay();
SDA = 1; //将SDA拉高，释放数据总线，交给从机控制
//此时,从机根据实际情况决定是否拉低SDA
delay();
SCL = 1; //从机做好了决定，拉高SCL，查看SDA线
delay();
if(SDA)ret_bit = 0; //如果SDA没被拉高，说明从机不打算发送ACK,返回变0
SCL = 0; //主控获取SCL总线
delay();
return ret_bit; //ret_bit=0，无ACK; ret_bit=1，有ACK
}
5、 主控作为接收端，需要发送ACK。
时序图与情况4相同，只是，此时SDA由主控控制，代码如下：
void I2C_MasterACK(bit sda_val)
{
SCL = 0; //改变SDA，保证SCL=0
delay();
SDA = sda_val; //sda_val=0,发送ACK；sda_val=1,不发送ACK
delay();
SCL = 1; //SCL拉高，告诉从机，我已经把ACK信号送到SDA上了
delay();
SCL = 0; //重新获得SCL总线控制权
}
6、 主控向从机写一个字节。如下为写一个字节的时序图：
说明：主控在SCL为0是改变SDA，改变完成后，使SCL为1，从机自动接收数据，代码如下：
void I2C_Write(unsigned char byte)
{
int i = 7; //发送7位数据,用于计数
SCL = 0; //拉低SCL，可以改变SDA
delay();
while(i >= 0)
{
SDA = (byte >> i) & 1; //发送第i位，i取值7~0
delay();
SCL = 1; //SDA稳定后，SCL拉高，告诉从机数据已上线
delay();
i--;
SCL = 0; //拉低SCL，重新改变SDA
delay();
}
}
7、 主控从从机出读取一个字节，如下为主控读取一个字节的时序：
说明：是不是感觉和主控发送一个字节的时序很相似？的确，但是，这里有两点区别：
A、 在读取数据时，主控将SDA拉高，放弃对SDA的控制，SDA完全交给从机去写数据，主控通过SDA来获取数据；
B、 发送ACK的对象变为主控，而非从机。
读字节代码如下：
unsigned char I2C_Read()
{
unsigned char cur_val = 0; //cur_val存放从从机发送的数据
int i = 0; //计数，接收8为数据
SCL = 0; //拉低SCL，之后从机去改变SDA
delay();
SDA = 1; //主机放弃对SDA的控制
delay();
for(;i<8;++i)
{
SCL = 1; //拉高SCL，开始去数据的一位
delay();
cur_val <<= 1; //为新取得的位准备存放位置
cur_val |= SDA; //将新取得的位放入cur_val
SCL = 0; //拉低SCL，告诉从机又可以改变SDA了
delay();
}
I2C_MasterACK(0); //发送ACK，如果参数为1，不是不发送ACK
return cur_val; //返回从从机取得的值
}
到现在为止，I2C的所有操作协议都变为代码了，码农就可以调用函数进行数据传输了，说明要注意的几个地方：
1、 在开始写，或者读数据开始前，先要向从机写一个地址控制字节，这个别忘了。结构为”4bit器件类型 + 3bit地址 + 1bit R/W“；注意在从读变为写时，一定先发送起始信号S，即调用I2C_Start，然后发送该字节，否则出错。
2、 在写完后一个字节后，一定要有一个等待ACK的过程，即在I2C_Write函数后，一定要有对I2C_WaitACK函数的调用。
3、 在读完一个字节后，要有一个发送ACK的过程，即在I2C_Read函数中，要有一个I2C_MasterACK函数的调用，当然，也可以将I2C_MasterACK从I2C_Read中提取出来，这样就和I2C_Write一样，对ACK的处理由用户调用。
4、 在通讯结束后，别忘了发送停止信号，即调用I2C_Stop。
在上述功能函数的基础上实现对AT24C02的控制，对AT24C02进行按位读写。
对AT24C02写操作如下：
第一步：发送开始信号S；
第二步：将AT24C02的地址信息写到总线；
第三步：等待从机的ACK；
第四步：给出要写的ROM地址写到总线；
第五步：将要写的数据写入到总线；
第六步：等待从机的ACK；
第七步：发送停止信号P；
代码如下：
void write_add(unsigned char address,unsigned char dat)
{
I2C_Start(); //发送S
I2C_Write(0xa0); //写AT24C02设备地址
I2C_WaitACK(); //等待从机ACK
I2C_Write(address); //写所操作的ROM的地址
I2C_WaitACK(); //等待从机ACK
I2C_Write(dat); //写数据
I2C_WaitACK(); //等待从机ACK
I2C_Stop(); //发送P
}
说明：
1、 设备地址为0xa0的原因，AT24C02的器件类型为1010b，这是由厂商决定的，所以高4位为a，地址是通过AT24C02的地址引脚A2、A1、A0决定的，如果该3个引脚都为低电平，地址就为0，最后一位为R/W位，我们这里要写，所以为0；
2、 该函数中没有对I2C_WaitACK的返回值进行判断，按理说，应该通过判断从机是否有ACK发送到总线来决定程序的执行流程，这里为了简单起见，就忽略了返回值；
对AT24C02的读过程：
对AT24C02的读过程比写过程步骤稍微复杂一点，因为需要先写入读取的ROM地址；然后在将I2C转变为读模式，将数据信息读到主机中，代码如下：
unsigned char read_add(unsigned char address)
{
unsigned char date; //定义存储从EEPROM中读取数据的变量
I2C_Start(); //发送S信号
I2C_Write(0xa0); //在总线上发送地址控制信号，写模式
I2C_WaitACK(); //等待从机ACK
I2C_Write(address); //在总线上发送ROM地址
I2C_WaitACK(); //等待从机ACK
I2C_Start(); //重新开始，发送S信号，当模式转换时必须重新开始
I2C_Write(0xa1); //发送地址控制信号，读模式
I2C_WaitACK(); //等待从机ACK
date = I2C_Read(); //从SDA中读取数据，并存放到date中，在I2C_Read
//中有I2C_MasterACK，自动发送ACK给从机
I2C_Stop(); //发送停止信号P
return date; //返回接收到的信号
}
