實(shí)驗(yàn)八51系列單片機(jī)IICppt課件

1、 實(shí)驗(yàn)八 51系列單片機(jī)讀寫(xiě)I2C總線I2C總線是Philips公司推出的一種雙向二線制總線，全稱(chēng)為芯片間總線Inter Integrate Circuit BUS）。其在芯片間使用兩根連線實(shí)現(xiàn)全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，一條數(shù)據(jù)線SDA和一條串行時(shí)鐘線SCL），可以很方便地構(gòu)成外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。I2C總線是很簡(jiǎn)單方便的芯片間串行擴(kuò)展總線。使用I2C總線可以直接和具有I2C總線接口的單片機(jī)通信，也可以和各種類(lèi)型的外圍器件進(jìn)行通信，如存儲(chǔ)器、A/D、D/A、鍵盤(pán)、LCD等。目前Philips、Atmel、Maxim以及其他集成電路制造商推出了很多基于I2C總線的單片機(jī)和外圍器件，如24系列E2PROM、

2、串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302、USB2.0芯片CY7C68013A等。本章主要介紹了I2C總線的工作原理、結(jié)構(gòu)以及尋址方式，并重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及程序?qū)崿F(xiàn)。這些程序均以子程序的形式提供，便于讀者調(diào)用。最后通過(guò)具體的實(shí)例，介紹如何使用單片機(jī)讀寫(xiě)具有I2C總線接口的E2PROM。 I2C總線概述 I2C總線對(duì)數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了嚴(yán)格的定義，要進(jìn)行I2C總線的接口設(shè)計(jì)，就需要首先了解I2C總線的工作原理圖、尋址方式和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等。8.0 I2C總線工作原理 典型的I2C總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖28.1所示。其采用兩線制，由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成?？偩€上掛接的單片機(jī)主器件或外圍器件從器件），其接口

3、電路都應(yīng)具有I2C總線通信能力。8.1 I2C總線的電氣結(jié)構(gòu)和負(fù)載能力I2C總線的SCL和SDA端口輸出為漏極開(kāi)路，因此使用時(shí)上必須連接上拉電阻。不同型號(hào)的器件對(duì)上拉電阻的要求不同，可參考具體器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。上拉電阻的大小與電源電壓、傳輸速率等有關(guān)系。I2C總線的傳輸速率可以支持100kHz和400kHz兩種，對(duì)于100kHz的速率一般采用10K的上拉電阻，對(duì)于400kHz的速率一般采用2K的上拉電阻。I2C總線上的外圍擴(kuò)展器件都是屬于電壓型負(fù)載的CMOS器件，因此總線上的器件數(shù)量不是由電流負(fù)載能力決定，而是由電容負(fù)載能力確定。I2C總線上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)器件的接口都有一定的等效電容，這會(huì)造成信號(hào)傳

4、輸?shù)难舆t。通常I2C總線的負(fù)載能力為400pF通過(guò)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展可達(dá)4000pF），據(jù)此可計(jì)算出總線長(zhǎng)度及連接器件的數(shù)量。8.3 I2C總線器件的尋址方式I2C總線上的所有器件連接在一個(gè)公共的總線上，因此，主器件在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前選擇需要通信的從器件，即進(jìn)行總線尋址。I2C總線上所有外圍器件都需要有惟一的地址，由器件地址和引腳地址兩部分組成，共7位。器件地址是I2C器件固有的地址編碼，器件出廠時(shí)就已經(jīng)給定，不可更改。引腳地址是由I2C總線外圍器件的地址引腳A2，A1，A0決議，根據(jù)其在電路中接電源正極、接地或懸空的不同，形成不同的地址代碼。引腳地址數(shù)也決定了同一種器件可接入總線的最大數(shù)目。地址位與一個(gè)

5、方向位共同構(gòu)成I2C總線器件尋址字節(jié)。尋址字節(jié)的格式如表所示。方向位R/）規(guī)定了總線上的主器件與外圍器件從器件的數(shù)據(jù)傳輸送方向。當(dāng)方向位R/=1，表示主器件讀取從器件中的數(shù)據(jù)；R/=0，表示主器件向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)。8.3 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及其程序詳解 I2C總線規(guī)定了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)通信格式，所有具有I2C總線接口的器件都必須遵守。另外，對(duì)于應(yīng)用最廣的51系列單片機(jī)，卻沒(méi)有提供I2C總線接口。實(shí)際上，利用這些單片機(jī)的普通I/O口，采用軟件模擬I2C總線SCL和SDA上的數(shù)據(jù)傳送時(shí)序，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線器件的讀、寫(xiě)操作。 下面就分別介紹數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的格式以及如何使用8051單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6、這里假設(shè)51系列單片機(jī)的外接晶振頻率為6MHz，單片機(jī)的機(jī)器周期為2s，采用P1.0作為時(shí)鐘線SCL，P1.1作為數(shù)據(jù)線SDA。8.3.1 起始信號(hào)起始信號(hào)用于開(kāi)始I2C總線通信。在時(shí)鐘線SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上出現(xiàn)由高電平向低電平變化的下降沿時(shí)，被認(rèn)為是起始信號(hào)。起始信號(hào)出現(xiàn)以后，才可以進(jìn)行尋址或數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。如果采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，則其程序示例如下：void I_Start() SDA=HIGH;I_Delay(100);SCL=HIGH;I_Delay(100);SDA=LOW;I_Delay(100);SCL=LOW;I_Delay(100);8.3.2 終止信號(hào)終止信號(hào)用

7、于終止I2C總線通信。在時(shí)鐘線SCL為高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上出現(xiàn)由低電平到高電平變化的上升沿時(shí)，被認(rèn)為是終止信號(hào)。終止信號(hào)一出現(xiàn)，所有總線操作都結(jié)束，主從器件釋放總線控制權(quán)。如果采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，則其程序示例如下：void I_Stop()SDA=LOW;I_Delay(100);SCL=HIGH;I_Delay(100);SDA=HIGH;I_Delay(100);SCL=LOW;I_Delay(100);8.3.3 應(yīng)答信號(hào)應(yīng)答信號(hào)用于表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束。I2C總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)，每傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后都必須有應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)從主器件產(chǎn)生。主器件在第9個(gè)時(shí)鐘位上釋放數(shù)據(jù)總線，使其處于

8、高電平狀態(tài)，此時(shí)從器件輸出低電平拉低數(shù)據(jù)總線為應(yīng)答信號(hào)。如果采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，則發(fā)送應(yīng)答位子程序示例如下：void I_Ack() SDA=LOW;I_Delay(100);SCL=HIGH;I_Delay(100);SCL=LOW;I_Delay(100);SDA=HIGH;I_Delay(100);8.3.4 非應(yīng)答信號(hào) 非應(yīng)答信號(hào)用于數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常而無(wú)法完成時(shí)。在傳送完一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，在第9個(gè)時(shí)鐘位上從器件輸出高電平為非應(yīng)答信號(hào)。非應(yīng)答信號(hào)的產(chǎn)生有兩種情況。 當(dāng)從器件正在進(jìn)行其他處理而無(wú)法接收總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，從器件不產(chǎn)生應(yīng)答，此時(shí)從器件釋放總線，將數(shù)據(jù)線置為高電平。這樣，主器件可

9、產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)來(lái)終止總線數(shù)據(jù)傳輸。 當(dāng)主器件接收來(lái)自從器件的數(shù)據(jù)時(shí)，接收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須給從器件發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，使從器件釋放數(shù)據(jù)總線。這樣，主器件才可以發(fā)送停止信號(hào)，從而終止數(shù)據(jù)傳送。8.3.5 應(yīng)答位檢查應(yīng)答位檢查用于檢測(cè)接收的是否為正常的應(yīng)答信號(hào)，以便于判斷數(shù)據(jù)接收是否正常，方便后期處理。如果采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，則檢查應(yīng)答位子程序示例如下：bit I_TestAck() bit ErrorBit;SDA=HIGH;I_Delay(100);SCL=HIGH;I_Delay(100);ErrorBit=SDA;SCL=LOW;I_Delay(100);return(Err

10、orBit);8.3.6 總線數(shù)據(jù)位 在I2C總線啟動(dòng)后或應(yīng)答信號(hào)后的第18個(gè)時(shí)鐘脈沖，對(duì)應(yīng)于要傳送字節(jié)的8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位由低到高傳送。 I2C總線上的數(shù)據(jù)是伴隨著時(shí)鐘脈沖，一位一位地傳送的，每位數(shù)據(jù)占一個(gè)時(shí)鐘脈沖。在時(shí)鐘線SCL高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA的狀態(tài)就表示要傳送的數(shù)據(jù)，高電平為數(shù)據(jù)1，低電平為數(shù)據(jù)0。在數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的改變?cè)跁r(shí)鐘線為低電平時(shí)完成，而時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定，否則數(shù)據(jù)線上的任何變化都會(huì)被當(dāng)作起始或終止信號(hào)，而致使數(shù)據(jù)傳輸停止。8.3.7 寫(xiě)數(shù)據(jù) I2C總線協(xié)議規(guī)定了完整的數(shù)據(jù)傳送格式。按照協(xié)議規(guī)定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始以主器件發(fā)出起始信號(hào)為準(zhǔn)，然后發(fā)送尋

11、址字節(jié)。尋址字節(jié)共8位，高7位是被尋址的從器件地址，最低一位是方向位，方向位表示主器件與從器件之間的數(shù)據(jù)傳送方向，方向位為“0時(shí)表示主器件向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)寫(xiě)）。在尋址字節(jié)后是將要傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)與應(yīng)答位，數(shù)據(jù)可以多字節(jié)連續(xù)發(fā)送。在數(shù)據(jù)傳送完畢后，主器件必須發(fā)送終止信號(hào)已釋放總線控制權(quán)。如果主器件希望繼續(xù)占用總線，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)送起始信號(hào)，并對(duì)另一從器件進(jìn)行尋址，便可進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送。寫(xiě)入8位I_Write8Bit(INT8U input) INT8U i;for(i=0;i8;i+)SDA=(bit)(input&0 x80);SCL=HIGH;I_Delay(100)

12、;SCL=LOW;I_Delay(100);input=input1;向指定的地址中寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)void write_byte(INT8U RomAddress,INT8U Wdata)I_Start();I_Write8Bit(WriteDeviceAddress);I_TestAck();I_Write8Bit(RomAddress);I_TestAck(); I_Write8Bit(Wdata);I_TestAck();I_Stop();I_Wait(20);8.3.8 讀數(shù)據(jù) I2C總線進(jìn)行讀數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始以主器件發(fā)出起始信號(hào)為準(zhǔn)，然后發(fā)送尋址字節(jié)。尋址字節(jié)共8位，高7位

13、是被尋址的從器件地址，最低一位是方向位，方向位表示主器件與從器件之間的數(shù)據(jù)傳送方向，方向位為“1時(shí)表示主器件從從器件中接收數(shù)據(jù)讀）。在尋址字節(jié)后是將要傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)與應(yīng)答位，數(shù)據(jù)可以多字節(jié)連續(xù)發(fā)送。在數(shù)據(jù)傳送完畢后，主器件必須發(fā)送終止信號(hào)已釋放總線控制權(quán)。如果主器件希望繼續(xù)占用總線，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)送起始信號(hào)，并對(duì)另一從器件進(jìn)行尋址，便可進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送。讀取8位 INT8U I_Read8Bit() INT8U i,rbyte=0;for(i=0;i8;i+)SCL=HIGH;rbyte=rbyte1;rbyte=rbyte|(INT8U)(SDA);SCL=LOW;retu

14、rn(rbyte); 從地址中讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)INT8U read_random(INT8U RomAddress) INT8U Read_data; I_Start();I_Write8Bit(WriteDeviceAddress);I_TestAck();I_Write8Bit(RomAddress);I_TestAck();I_Start();I_Write8Bit(ReadDeviceAddress);I_TestAck();Read_data=I_Read8Bit();I_NoAck();I_Stop();return (Read_data);8.4 51單片機(jī)讀寫(xiě)EEPROM I

15、2C總線接口器件以體積小、接口簡(jiǎn)單、讀寫(xiě)操作方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在單片機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。目前常用于存儲(chǔ)系統(tǒng)必要的參數(shù)，如密碼、啟動(dòng)代碼、設(shè)備標(biāo)識(shí)等。例如，計(jì)算機(jī)主板中的BIOS就使用的是一個(gè)帶有I2C總線的EEPROM，其中保存了系統(tǒng)得重要信息和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置程序。 目前USB接口及其設(shè)備越來(lái)越被廣泛使用，大有取代其他老式接口的趨勢(shì)。然而，如何區(qū)分計(jì)算機(jī)上連接的眾多USB外圍設(shè)備呢？其實(shí)絕大部分的USB接口芯片都通過(guò)上電讀一個(gè)帶有I2C總線的串行EEPROM，來(lái)載入該設(shè)備的ID包括Vendor ID、Product ID和Device ID），根據(jù)這些ID來(lái)區(qū)分各個(gè)USB設(shè)備，并加載相應(yīng)的驅(qū)

16、動(dòng)程序。8.4.1 串行EEPROM存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介串行EEPROM存儲(chǔ)器是一種采用串行總線的存儲(chǔ)器，這類(lèi)存儲(chǔ)器具有體積小、功耗低、允許工作電壓范圍寬等特點(diǎn)。目前，單片機(jī)系統(tǒng)中使用較多的EEPROM芯片是24系列串行EEPROM。其具有型號(hào)多、容量大、支持I2C總線協(xié)議、占用單片機(jī)I/O端口少，芯片擴(kuò)展方便、讀寫(xiě)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前，Atmel、MicroChip、National等公司均提供各種型號(hào)的I2C總線接口的串行EEPROM存儲(chǔ)器。下面以Atmel公司的產(chǎn)品為例進(jìn)行介紹。AT24C01/02/04/08系列是Atmel公司典型的I2C串行總線的EEPROM。這里以AT24C08為例介紹。AT24C08具有10248位的存儲(chǔ)容量，工作于從器件模式，可重復(fù)擦寫(xiě)100萬(wàn)次，數(shù)據(jù)可以掉電保存100年。8引腳DIP封裝的AT24C08的封裝結(jié)構(gòu)，如下圖。函數(shù)的調(diào)用 main() INT8U iic_dat; clr_scr(0); clr_scr(1); /write_byte(1,13); iic_dat=read_random(1); disp_zf(iic_dat/10,0,0