I2C總線協(xié)議課件

1、周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室I2C串行總線的組成及工作原理串行總線的組成及工作原理周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室一、一、 I2C串行總線的組成及工作原理串行總線的組成及工作原理采用串行總線技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計大大簡化、系統(tǒng)的體采用串行總線技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計大大簡化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時，系統(tǒng)的更改和擴充極為容易。積減小、可靠性提高。同時，系統(tǒng)的更改和擴充極為容易。常用的串行擴展總線有：常用的串行擴展總線有： I2C （Inter IC BUS）總線、）總線、單總線單總線（1W

2、IRE BUS）、）、SPI（Serial Peripheral Interface）總線及）總線及Microwire/PLUS等。等。 本章僅討論本章僅討論I2C串行總線。串行總線。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室1 1、 I2C串行總線概述串行總線概述 I2C總線是總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備公司推出的一種串行總線，是具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。高性能串行總線。 I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線總線只有兩根雙向信號線。一根是

3、數(shù)據(jù)線SDA，另，另一根是時鐘線一根是時鐘線SCL。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時，兩根線總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時，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，都將使總線的信號變低，即各器件的總線的信號變低，即各器件的SDA及及SCL都是線都是線“與與”關(guān)系。關(guān)系。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 每個接到每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址?？偩€上的器件都有唯一的地址。主機與其

4、它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送主機與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時主機即為發(fā)送器。由總線數(shù)據(jù)到其它器件，這時主機即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。 在多主機系統(tǒng)中，可能同時有幾個主機企圖啟動總在多主機系統(tǒng)中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂， I2C總線要通過總線仲裁，總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線。以決定由哪一臺主機控制總線。 在在80C51單片機應(yīng)用系統(tǒng)的串行總線擴展中，我們經(jīng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的串行總線擴展中，我們經(jīng)常遇到的是以常遇到的是以80C51單片機為主機

5、，其它接口器件為從機單片機為主機，其它接口器件為從機的單主機情況。的單主機情況。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室（1）、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定）、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定 I2C總線進行數(shù)據(jù)傳送時，總線進行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘信號為高電平期間時鐘信號為高電平期間，數(shù)，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低時鐘線上的信號為低電平期間電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。2 2、 I2C總線的數(shù)據(jù)傳送總線的數(shù)據(jù)傳送周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程

6、大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室（2）、起始和終止信號）、起始和終止信號 SCL線為高電平期間，線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變線由高電平向低電平的變化表示起始信號；化表示起始信號；SCL線為高電平期間，線為高電平期間，SDA線由低電平線由低電平向高電平的變化表示終止信號。向高電平的變化表示終止信號。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。就

7、處于空閑狀態(tài)。 連接到連接到I2C總線上的器件，若具有總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。對于不具備則很容易檢測到起始和終止信號。對于不具備I2C總線硬件總線硬件接口的有些單片機來說，為了檢測起始和終止信號，必須保接口的有些單片機來說，為了檢測起始和終止信號，必須保證在每個時鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線證在每個時鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次。采樣兩次。 接收器件收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完接收器件收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立刻接成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立刻接收下一

8、個字節(jié)，這時接收器件可以將收下一個字節(jié)，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從線拉成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個字而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個字節(jié)時，再釋放節(jié)時，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進行。續(xù)進行。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室（3）、數(shù)據(jù)傳送格式）、數(shù)據(jù)傳送格式字節(jié)傳送與應(yīng)答字節(jié)傳送與應(yīng)答 每一個字節(jié)必須保證是每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳位長度。數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位（送最高位（MSB），每一個被傳送的字

9、節(jié)后面都必須跟），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。位）。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室（4）、總線的尋址）、總線的尋址 I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個字節(jié)）。字節(jié)是起始信號后的第一個字節(jié)）。 尋址字節(jié)的位定義尋址字節(jié)的位定義 D7D1位組成從機的地址。位組成從機的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為向位，為“0”時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，為時表示主機向從機寫數(shù)據(jù)，為“1”時時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)

10、。表示主機由從機讀數(shù)據(jù)。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室主機發(fā)送地址主機發(fā)送地址時，總線上的每個從機都將這時，總線上的每個從機都將這7位地址位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認(rèn)為自己碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機尋址，根據(jù)正被主機尋址，根據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接位將自己確定為發(fā)送器或接收器收器。從機的地址從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個由固定部分和可編程部分組成。在一個系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。

11、可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個從機的如一個從機的7位尋址位有位尋址位有4位是固定位，位是固定位，3位是可編位是可編程位，這時僅能尋址程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有個同樣的器件，即可以有8個個同樣的器件接入到該同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中總線系統(tǒng)中。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室二、二、80C51單片機單片機I2C串行總線器件的接口串行總線器件的接口典型信號模擬典型信號模擬 為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時序要求。有嚴(yán)格的時序要求。I

12、2C總線的起始信號、終止信號、發(fā)送總線的起始信號、終止信號、發(fā)送“0”及發(fā)送及發(fā)送“1”的模擬時序的模擬時序 ： 1 1、 總線數(shù)據(jù)傳送的模擬總線數(shù)據(jù)傳送的模擬 主機可以采用不帶主機可以采用不帶I2C總線接口的單片機，如總線接口的單片機，如80C51、AT89C2051等單片機，利用軟件實現(xiàn)等單片機，利用軟件實現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結(jié)合的信號模擬。即軟件與硬件結(jié)合的信號模擬。 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 2 2、 I2C總線器件的擴展總

13、線器件的擴展（1）、）、擴展電路擴展電路 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 （2）、串行）、串行E2PROM的擴展的擴展 串行串行E2PROM典型產(chǎn)品典型產(chǎn)品 AT24C01：128字節(jié)（字節(jié)（1288位）；位）； AT24C02：256字節(jié)（字節(jié)（2568位）；位）；AT24C04：512字節(jié)（字節(jié)（5128位）位）AT24C08：1K字節(jié)（字節(jié)（1K8位）；位）；AT24C16：2K字節(jié)（字節(jié)（2K8位）；位）； ATMEL公司的公司的AT24C系列：系列： 周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 寫入過

14、程寫入過程 AT24C系列系列E2PROM芯片地址的固定部分為芯片地址的固定部分為1010，A2、A1、A0引腳接高、低電平后得到確定的引腳接高、低電平后得到確定的3位編碼。形成的位編碼。形成的7位編碼即為該器件的地址碼。位編碼即為該器件的地址碼。 單片機進行寫操作時，首先發(fā)送該器件的單片機進行寫操作時，首先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫位地址碼和寫方向位方向位“0”（共（共8位，即一個字節(jié)），發(fā)送完后釋放位，即一個字節(jié)），發(fā)送完后釋放SDA線線并在并在SCL線上產(chǎn)生第線上產(chǎn)生第9個時鐘信號。被選中的存儲器器件在個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上

15、產(chǎn)生一個應(yīng)答信號作為相線上產(chǎn)生一個應(yīng)答信號作為相應(yīng)，單片機收到應(yīng)答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。應(yīng)，單片機收到應(yīng)答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 傳送數(shù)據(jù)時，單片機首先發(fā)送一個字節(jié)的被寫入器件的存儲區(qū)的首地傳送數(shù)據(jù)時，單片機首先發(fā)送一個字節(jié)的被寫入器件的存儲區(qū)的首地址，收到存儲器器件的應(yīng)答后，單片機就逐個發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)，但每發(fā)址，收到存儲器器件的應(yīng)答后，單片機就逐個發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)，但每發(fā)送一個字節(jié)后都要等待應(yīng)答。送一個字節(jié)后都要等待應(yīng)答。 AT24C系列器件片內(nèi)地址在接收到每一個數(shù)據(jù)字節(jié)地址后自動加系列器件片內(nèi)地址在接收到每一個數(shù)據(jù)字節(jié)

16、地址后自動加1，在，在芯片的芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)一次裝載字節(jié)數(shù)”（不同芯片字節(jié)數(shù)不同）限度內(nèi)，只需輸入首（不同芯片字節(jié)數(shù)不同）限度內(nèi)，只需輸入首地址。裝載字節(jié)數(shù)超過芯片的地址。裝載字節(jié)數(shù)超過芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)一次裝載字節(jié)數(shù)”時，數(shù)據(jù)地址將時，數(shù)據(jù)地址將“上上卷卷”，前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋。，前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋。 當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)傳送完后，單片機應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束寫入操作。當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)傳送完后，單片機應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束寫入操作。寫入寫入n個字節(jié)的數(shù)據(jù)格式個字節(jié)的數(shù)據(jù)格式 ：周鵬周鵬 安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院電科教研室 讀出過程讀出過程 單片機先發(fā)送該器件的單片機先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位位地址碼和寫方向位“0”（“偽寫偽寫”），發(fā)送），發(fā)送完后釋放完后釋放SDA線并在線并在SCL線上產(chǎn)生第線上產(chǎn)生第9個時鐘信號。被選中的存儲器器件個時鐘信號。被選中的存儲器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個應(yīng)答信號作為相應(yīng)。線上產(chǎn)生一個應(yīng)答信號作為相應(yīng)。 然后，再發(fā)一個字節(jié)的要讀出器件的存儲區(qū)