基于主控模式下的 I2C 通信從動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)

引 言

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在著大量的 IC 間通信，目前使用較多的為 I2C 通信。當(dāng)前大部分單片機(jī)均可采用硬件方式的 I2C 模式進(jìn)行通信，但也有少部分單片機(jī)為降低成本，并未設(shè)計(jì)硬件方式的 I2C 通信，因此只能采用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片間通信。目前已有大量文獻(xiàn)討論了 I2C 通信時(shí)主控方的軟件編寫(xiě)，但作為通信的另一方，從控方的程序編寫(xiě)很少有相關(guān)資料涉及，特別是從控方的程序相較于主控方的程序更為復(fù)雜。因此從主機(jī)通信要求出發(fā)，總結(jié)了一套從機(jī)的通信軟件編寫(xiě)流程[1-3]。

通過(guò)主機(jī)發(fā)出的信號(hào)請(qǐng)求，要求從控機(jī)采取相應(yīng)應(yīng)答信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)從機(jī)的實(shí)時(shí)性，要求從機(jī)的 SCL 線輸入采用外部中斷方式進(jìn)行，可將中斷方式設(shè)置為上升沿觸發(fā)方式。

1 起始信號(hào)

圖 1 所示為主控機(jī)發(fā)送I2C 起始信號(hào)的波形圖。I2C 總線通過(guò)上拉電阻連接電源的正極，當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的 SDA及 SCL均為線“與”關(guān)系。進(jìn)行 I2C通信時(shí)，首先要確認(rèn)總線是否空閑。圖 1中，主機(jī)先將數(shù)據(jù)線拉高，再將時(shí)鐘線拉高，但需注意在拉高時(shí)鐘線時(shí)從機(jī)的響應(yīng)，其中時(shí)間 t1為從機(jī)響應(yīng)時(shí)間。從機(jī)應(yīng)立即釋放時(shí)鐘線，轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)。主機(jī)只有檢測(cè)到從機(jī)釋放時(shí)鐘線控制權(quán)時(shí)才能進(jìn)行下一步操作。主機(jī)在拉高時(shí)鐘線后，檢測(cè)時(shí)鐘線的狀態(tài)，只有從機(jī)為輸入，時(shí)鐘線變高后，主機(jī)才可以發(fā)出起始命令 [4]。

圖 1 主機(jī)發(fā)送起始信號(hào)波形

時(shí)鐘信號(hào)線為高電平時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線拉低以發(fā)送起始命令，此時(shí)從機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)信號(hào)線產(chǎn)生由高到低的信號(hào)變化后，從機(jī)立即檢測(cè)時(shí)鐘信號(hào)線是否產(chǎn)生由高到低的變化， 如若產(chǎn)生，則說(shuō)明通信起始信號(hào)已發(fā)出，主機(jī)準(zhǔn)備與從機(jī)通信 [5]。從機(jī)控制流程如圖 2 所示。

圖 2 從機(jī)接收起始信號(hào)時(shí)的程序流程

2 停止信號(hào)

停止信號(hào)的產(chǎn)生比起始信號(hào)簡(jiǎn)單，從機(jī)對(duì)停止信號(hào)的要求也比起始信號(hào)簡(jiǎn)單。

圖 3所示為主機(jī)停止信號(hào)波形圖，對(duì)應(yīng)從機(jī)在主機(jī)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，通過(guò)檢測(cè)主機(jī)在數(shù)據(jù)線上發(fā)出的由低到高的電平變化來(lái)確認(rèn)通信結(jié)束。

圖 3 停止信號(hào)波形

3 應(yīng)答信號(hào)

主機(jī)發(fā)送 1 B 數(shù)據(jù)后，在第九個(gè)時(shí)鐘（CLOCK）脈沖時(shí)必須釋放數(shù)據(jù)線，由從機(jī)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。從機(jī)回復(fù)低電平為有效應(yīng)答（ACK），表示從機(jī)已成功接收到該字節(jié) ；從機(jī)回復(fù)高電平為非應(yīng)答信號(hào)（NACK），表示從機(jī)未成功接收該字節(jié)。如果是有效的應(yīng)答信號(hào)位，要求從機(jī)在第九個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平時(shí)間將數(shù)據(jù)線拉低，并確保在第九個(gè)時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。如果主機(jī)從從機(jī)讀取信息， 則在讀完 1 B 數(shù)據(jù)后，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào) ACK， 讀完最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè) NACK 信號(hào)，通知從機(jī)結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并在最后發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)給從機(jī)。應(yīng)答信號(hào)波形如圖 4 所示。在每 8 位數(shù)據(jù)傳送完成后，第九個(gè)時(shí)鐘脈沖傳送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。向從機(jī)中寫(xiě)信息即由從機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào) ；從從機(jī)中讀信息，即由主機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)為低即為成功，為高則為失敗。

圖 4 應(yīng)答信號(hào)波形

從機(jī)必須配合主機(jī)工作，從機(jī)在第九個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿產(chǎn)生中斷時(shí)，將根據(jù)自己的接收情況產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)。從機(jī)工作程序流程如圖 5 所示。

4 數(shù)據(jù)傳送

4.1 字節(jié)傳送與應(yīng)答格式

數(shù)據(jù)傳送時(shí)先高位后低位，9 位為一幀。如果從機(jī)未應(yīng)答主機(jī)信號(hào)，如從機(jī)正在進(jìn)行其他工作而無(wú)法接收總線上的數(shù)據(jù)，則此時(shí)從機(jī)在應(yīng)答時(shí)必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，產(chǎn)生一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。每傳送完一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)，主機(jī)都要與從機(jī)通過(guò)應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行溝通以確定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在主機(jī)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)（此時(shí)的應(yīng)答信號(hào)由主機(jī)發(fā)出）作為線束標(biāo)志。從機(jī)釋放 SDA 線，允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。

4.2 數(shù)據(jù)幀格式

從機(jī)地址為 7 位，分別占據(jù)一個(gè)字節(jié)的 D7 ～ D1 位。D0 位為讀寫(xiě)標(biāo)志位，D0=0 為寫(xiě)入從機(jī)操作 ；D0=1，為從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)操作。從機(jī)地址格式與讀寫(xiě)格式如圖 6 所示。

（1）主機(jī)向從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)，以 8 位數(shù)據(jù)加一位應(yīng)答為一幀， 從機(jī)負(fù)責(zé)應(yīng)答。主機(jī)先寫(xiě)入從機(jī)地址，再寫(xiě)入從機(jī)存儲(chǔ)器地址，后面為要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，以一個(gè)字節(jié)加一個(gè)應(yīng)答位（非應(yīng)答位）為一幀寫(xiě)入。如果只寫(xiě)一個(gè)字節(jié)，寫(xiě)完后主機(jī)可發(fā)停止信號(hào)，如果繼續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，則主機(jī)繼續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可，不必再次輸入存儲(chǔ)器地址，從機(jī)會(huì)在上一地址上自動(dòng)加 1 進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此時(shí)要特別注意的是 ：從機(jī)一定要有應(yīng)答信號(hào)（ACK），否則主機(jī)將終止數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。從機(jī)無(wú)論是產(chǎn)生非應(yīng)答信號(hào)還是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)都視為無(wú)應(yīng)答，將終止數(shù)據(jù)傳送。寫(xiě)數(shù)據(jù)格式如圖 7 所示。

從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)程序較簡(jiǎn)單，只要在 CLOCK 時(shí)鐘線上升沿產(chǎn)生的中斷中依次接收數(shù)據(jù)，并在接收完 8 位數(shù)據(jù)后產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)即可。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果為從機(jī)地址數(shù)據(jù)，則判斷此數(shù)據(jù)是否與己方地址相同，相同則繼續(xù)接收，不同則放棄接收。然后接收存儲(chǔ)器地址，并接收數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)時(shí)將所接收的數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)。從機(jī)程序流程如圖8所示。

圖 8 從機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)程序流程

（2）主機(jī)從從機(jī)讀數(shù)據(jù)

讀取數(shù)據(jù)與寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)的格式存在一定區(qū)別，從機(jī)地址信息需寫(xiě) 2 次，且需發(fā) 2 次起始信息。數(shù)據(jù)框圖如圖 9所示。

由于接收數(shù)據(jù)時(shí)從機(jī)程序比較簡(jiǎn)單，在此不再討論。

5 結(jié) 語(yǔ) 

I2C 通信是單片機(jī)與單片機(jī)之間，或單片機(jī)與存儲(chǔ)器之間的通信，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型單片機(jī)而言，能有效節(jié)省單片機(jī)的I/O 口，因此 I2C 通信也在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文是長(zhǎng)期編程過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望能給讀者提供一定參考。