I2C總線原理及應(yīng)用實(shí)例

I2C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個(gè)組件進(jìn)行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?？呻S時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。
1 I2C總線特點(diǎn)
I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。
2 I2C總線工作原理
2.1 總線的構(gòu)成及信號類型
I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。
I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號， 它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。
開始信號：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。
結(jié)束信號：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。
應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。
目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。
3 總線基本操作
I2C規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。參見圖1。

圖1 串行總線上的數(shù)據(jù)傳送順序

3.1 控制字節(jié)
在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫操作。如圖2所示。

圖2 控制字節(jié)配置

3.2 寫操作
寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種操作，對于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。關(guān)于頁面寫的地址、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序參見圖3。

圖3 頁面寫

3.3 讀操作
讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時(shí)序圖。應(yīng)當(dāng)注意的是：最后一個(gè)讀操作的第9個(gè)時(shí)鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作，主機(jī)必須在第9個(gè)周期間發(fā)出停止條件或者在第9個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。

圖4 順序讀

4 實(shí)例：X24C04與MCS-51單片機(jī)軟硬件的實(shí)現(xiàn)
X24C04是XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM，內(nèi)部組織成512×8位。16字節(jié)頁面寫。與MCS-51單片機(jī)接口如圖5所示。由于SDA是漏極開路輸出，且可以與任何數(shù)目的漏極開路或集電極 開路輸出“線或”（wire-Ored）連接。上拉電阻的選擇可參考X24C04的數(shù)據(jù)手冊。下面是通過I2C接口對X24C04進(jìn)行單字節(jié)寫操作的例程。流程圖及源程序如下：

圖5 X24C04與51單片機(jī)接口

；名稱：BSENT
；描述：寫字節(jié)
；功能：寫一個(gè)字節(jié)
；調(diào)用程序：無
；輸入?yún)?shù)：A
；輸出參數(shù)：無
BSEND: MOV R2,#08H ；1字節(jié)8位
SENDA: CLR P3.2 ；
RLC A ；左移一位
MOV P3.3,C ；寫一位
SETB P3.2
DJNZ R2,SENDA ；寫完8個(gè)字節(jié)？
CLR P3.2 ；應(yīng)答信號
SETB P3.3
SETB P3.2
RET

圖6 流程圖

5 結(jié)束語
在I2C總線的應(yīng)用中應(yīng)注意的事項(xiàng)總結(jié)為以下幾點(diǎn):
1） 嚴(yán)格按照時(shí)序圖的要求進(jìn)行操作，
2） 若與口線上帶內(nèi)部上拉電阻的單片機(jī)接口連接，可以不外加上拉電阻。
3） 程序中為配合相應(yīng)的傳輸速率，在對口線操作的指令后可用NOP指令加一定的延時(shí)。
4） 為了減少意外的干擾信號將EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)改寫可用外部寫保護(hù)引腳（如果有），或者在EEPROM內(nèi)部沒有用的空間寫入標(biāo)志字，每次上電時(shí)或復(fù)位時(shí)做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫。