IIC串行協(xié)議及器件課件

第11章

I2C串行協(xié)議及I2C器件應(yīng)用11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議11.2I2C串行總線(xiàn)典型器件主講內(nèi)容11.3I2C串行總線(xiàn)的應(yīng)用第11章I2C串行協(xié)議及I2C器件應(yīng)用11.1I

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

I2C是Philips公司推出的在器件間實(shí)現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。以其連接簡(jiǎn)單、節(jié)省I/O口線(xiàn)、縮減空間等特點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用。如I2C的RAM、E2PROM、LCD、LED、A/D、D/A、時(shí)鐘等器件。I2C串行總線(xiàn)的主要特征如下：1）兩條傳輸線(xiàn)：一條串行數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA），一條串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）。2）總線(xiàn)模式多：主發(fā)送模式、主接收模式、從發(fā)送模式、從接收模式。3）器件唯一尋址：I2C總線(xiàn)上器件都有唯一地址，主機(jī)可對(duì)各從機(jī)尋址。4）檢測(cè)和仲裁：沖突檢測(cè)和仲裁機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸完整性和穩(wěn)定性。5）傳輸速率高：標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式的傳輸率分別是100k、400k、3.4Mbps。6）漏極開(kāi)路：總線(xiàn)要接上拉電阻。連接到總線(xiàn)上的IC數(shù)量?jī)H受到最大電容400pF的限制。11.1.1I2C串行總線(xiàn)的基本特征11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議I2C是Phil11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

★

I2C接口傳輸具有線(xiàn)“與”功能。SDA和SCL兩條線(xiàn)，均為雙向I/O口，通過(guò)上拉電阻接正電源。當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，兩根線(xiàn)都是高電平，連接總線(xiàn)器件的輸出極必須是集電極或漏極開(kāi)路。

★

I2CSDA上的數(shù)據(jù)僅在SCL為低電平時(shí)才能改變。當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA的改變表示“開(kāi)始”和“停止”狀態(tài)。

在時(shí)鐘高電平期間，數(shù)據(jù)線(xiàn)上必須保持穩(wěn)定的邏輯電平。只有在時(shí)鐘線(xiàn)低電平時(shí)，才允許數(shù)據(jù)線(xiàn)的電平變化。

★

I2C總線(xiàn)是一個(gè)半雙工、多主器件的總線(xiàn)?？偩€(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送器（也叫主器件）與接收數(shù)據(jù)的接收器（也叫從器件）取決于當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的方向。當(dāng)一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其它被尋址器件均作為接收器。11.1.2.I2C傳輸接口的特性11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議★I2C接口傳11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

★完整的時(shí)序過(guò)程由起始信號(hào)、器件地址信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)ACK、字節(jié)數(shù)據(jù)信號(hào)和停止信號(hào)等幾部分組成。

11.1.3I2C的時(shí)序

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議★完整的時(shí)序過(guò)程11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議（1）起停信號(hào)定義I2C協(xié)議中，起始信號(hào)（S）和停止信號(hào)（P）都由主器件產(chǎn)生。起始信號(hào)定義：當(dāng)SCL線(xiàn)為高電平時(shí)，SDA由高到低的負(fù)跳變；在總線(xiàn)上出現(xiàn)了起始信號(hào)，就認(rèn)為總線(xiàn)處于工作狀態(tài)。停止信號(hào)定義：當(dāng)SCL線(xiàn)為高電平時(shí)，SDA由低到高的正跳變；總線(xiàn)上出現(xiàn)停止信號(hào)，被認(rèn)為總線(xiàn)是處在不忙或空閑狀態(tài)。1起始和停止信號(hào)11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議（1）起停信號(hào)定義1起11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

（2）起停信號(hào)的檢測(cè)

●連接到總線(xiàn)上的設(shè)備具有I2C硬件接口，檢測(cè)起、停信號(hào)由硬件自動(dòng)完成。

●連接到總線(xiàn)上的設(shè)備沒(méi)有I2C硬件接口，檢測(cè)起、停信號(hào)必須由軟件檢測(cè)跳變。START_IC：CLRSCL；SCL由高變低，因?yàn)镾CL低電平時(shí)才允許SDA更改

NOP；加入空指令延時(shí)以確保信號(hào)可靠

NOP

SETBSDA;SDA先高

NOP

NOP

SETBSCL;SCL高，起始條件建立時(shí)間大于4.7us

ACALLDS4.7uS

CLRSDA；SDA低，起始條件鎖定時(shí)大于4us

ACALLDS4uS

CLRSCL；SCL低,鉗住總線(xiàn)，準(zhǔn)備發(fā)數(shù)據(jù)

NOP

RET圖11-3啟動(dòng)信號(hào)時(shí)序11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議（2）起停信號(hào)的檢測(cè)ST11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

（2）起停信號(hào)的檢測(cè)

STOP_IC：CLRSCL;SCL低

NOP

CLRSDA

NOP

NOP

SETBSCL;發(fā)送結(jié)束條件的時(shí)鐘信號(hào)ACALLDS4.7uS;結(jié)束總線(xiàn)時(shí)間大于4us（取4.7us）

SETBSDA;結(jié)束總線(xiàn)

ACALLDS4.7uS;保證終止和起始空閑大于4.7us

NOPRET圖11-4停止信號(hào)時(shí)序11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議（2）起停信號(hào)的檢測(cè)11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議2器件地址A0A1A20101如24C02的地址格式如下WR●器件地址具有唯一性，發(fā)送器發(fā)出起始信號(hào)后，必須緊跟發(fā)送一個(gè)字節(jié)（8位）器件地址信號(hào)；●地址信號(hào)用SLAVE表示。SLAVE是7位的器件地址位D7～D1，D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，用表示讀/寫(xiě)選擇位；●SLAVE由一個(gè)4位固定部分和3位可編程部分組成。固定部分為器件的標(biāo)識(shí)，表明了器件的類(lèi)型，出廠時(shí)固定的?？删幊滩糠譃槠骷囊_地址，視硬件接線(xiàn)而定。WRWR11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議2器件地址A0A1A11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議表7-3常用外圍器件的節(jié)點(diǎn)地址1001A2A1A001110A1A00100A2A1A01010A2A1A01010A2A1A01011A2A1A01010A2A1A011.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議表7-3常用外圍器件的

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

3

應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào)

（1）應(yīng)答信號(hào)與非應(yīng)答信號(hào)定義圖11-5應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào)接收器收到地址字節(jié)或一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后都要產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACK。在第9個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)將SDA線(xiàn)拉低，表示收到一個(gè)8位數(shù)據(jù)。

發(fā)送器必須在這一時(shí)鐘位上釋放數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA，使其處于高電平狀態(tài)，以便接收器輸出ACK應(yīng)答信號(hào)，表示繼續(xù)接收；若接收器輸出高電平則為非應(yīng)答信號(hào)（/ACK），表示結(jié)束接收。發(fā)送器接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，須向接收器發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，使接收器釋放SDA線(xiàn)，發(fā)送器產(chǎn)生終止信號(hào)，停止數(shù)據(jù)傳送。11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議3應(yīng)答與非應(yīng)

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

3

應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào)

（2）應(yīng)答信號(hào)時(shí)序ACK在接收方，每收到一字節(jié)后便將SDA電平拉低,應(yīng)答完成后，SCL=0，SDA=1。具體時(shí)序如下：MACK_IC：CLRSCL

NOP

CLRSDA;在第9個(gè)SLC脈沖，將SDA置0

NOP

NOP

SEIBSCL;保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間，即SCL為高時(shí)間大于ACALLDS4.7us

CLRSCL

NOPNOP

SETBSDA;在SDA高或低的任何前提下，應(yīng)答完成后，SCL=0，SDA=1

NOPRET圖11-6應(yīng)答信號(hào)ACK時(shí)序

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議3應(yīng)答與非應(yīng)

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

3

應(yīng)答與非應(yīng)答信號(hào)

（3）非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序/ACKMNACK_IC:CLRSCLNOPNOPSETB SDA ;將SDA置1NOPNOPSETB SCLACALLDS4.7uSNOP;保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)間，即SCL為高時(shí)間大于4.7usCLRSCLNOP

SETBSDA

NOPRET圖11-7非應(yīng)答信號(hào)時(shí)序11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議3應(yīng)答與非應(yīng)

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

4數(shù)據(jù)字節(jié)信號(hào)字節(jié)數(shù)位：數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)沒(méi)有限制，但是每字節(jié)必須是8位長(zhǎng)度；

發(fā)送次序：先發(fā)送最高位，每字節(jié)數(shù)據(jù)后必跟一位應(yīng)答脈沖ACK；

等待狀態(tài)：接收器不能接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，可以把SCL線(xiàn)拉成低電平，迫使發(fā)送器處于等待狀態(tài)。

圖為多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的完整時(shí)序。

圖11-8數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

連續(xù)寫(xiě)的兩個(gè)字節(jié)之間最好是有10ms的延時(shí)。當(dāng)然，也可以進(jìn)行頁(yè)寫(xiě)（PAGEWRITE），即一次性連續(xù)寫(xiě)8個(gè)字節(jié)，但采用頁(yè)寫(xiě)方式時(shí)每個(gè)字節(jié)后要有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議4數(shù)據(jù)

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

（1）向IC卡寫(xiě)一字節(jié)數(shù)據(jù)（WR_BYTE

）

WR_BYTE：MOVR2，#08;一字節(jié)8位數(shù)據(jù)

CLRSCL

NOP

NOPWR_BYTE1：RLCA;A.8->C

MOVSDA，C;改變SDA上的數(shù)據(jù)

NOP

SETBSCL；拉高SCL>=4.7uS

ACALLDS4.7uS

CLRSCL

NOP

NOP

DJNZR2，WR_BYTE1；依次發(fā)8位

圖11-9字節(jié)寫(xiě)時(shí)序圖

SETBSDANOPNOP

SETBSCLCLRF0NOPNOPMOVC,SDA;回讀IC卡的確認(rèn)信號(hào)JCWR_BYTE2SETBF0;有應(yīng)答位WR_BYTE2:NOP;非應(yīng)答CLRSCLNOPRET11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議（1）向IC

11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議

（2）從IC卡讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)（RD_BYTE

）

RD_BYTE：

MOVR2，#08

SETBSDA

;設(shè)備SDA為讀狀態(tài)

CLRA ;清空A寄存器NOPNOPRD_BTYE1：SETBSCL;時(shí)鐘線(xiàn)為高，接收數(shù)據(jù)位

NOPNOP

MOVC,SDA

;讀取一位數(shù)據(jù)到進(jìn)位位

圖11-10字節(jié)讀時(shí)序圖

RLCA;左移數(shù)據(jù)到ACC.0CLRSCL

;將SCL拉低時(shí)間大于4.7usACALLDS4.7uSDJNZR2，RD_BYTE1；依次讀出8位數(shù)據(jù)到A中RET；讀數(shù)據(jù)是無(wú)應(yīng)答信號(hào)的需要注意的是：讀數(shù)據(jù)的器件不是通過(guò)確認(rèn)狀態(tài)來(lái)應(yīng)答的，而是隨后產(chǎn)生一個(gè)停止?fàn)顟B(tài)。11.1I2C串行總線(xiàn)通信協(xié)議（2）從IC

11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件1.AT24系列存貯器

—I2C串行接口的EEPROM

目前用于IC卡的通用存貯器芯片多為EEPROM，其常用的協(xié)議主要有兩線(xiàn)串行連接協(xié)議（I2C）和三線(xiàn)串行鏈接協(xié)議，其中比較常用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT24系列芯片。

AT24系列主要有AT24C01/02/04，非加密卡工藝：采用CMOS工藝制造，內(nèi)置有高壓泵，2V～5V的低電壓工作。封裝:8腳DIP封裝；IC卡封裝。

IC卡封裝對(duì)觸點(diǎn)數(shù)目,位置,信號(hào)名稱(chēng)和功能都有明確規(guī)定,以保證兼容性.其中:C1(VCC)為電源;C2(RST)復(fù)位信號(hào);C3(CLK)時(shí)鐘脈沖;C4(RFU)待用;C5(GND)接地端;C6(VPP)編程電壓,用于對(duì)EPROM編程;C7(I/O)數(shù)據(jù)輸入輸出端;C8(RFU)待用.有些系統(tǒng)中IC卡的C4和C8未用,可見(jiàn)卡上僅有六個(gè)觸點(diǎn).引腳：SCL串行時(shí)鐘；SDA串行數(shù)據(jù)，開(kāi)漏極驅(qū)動(dòng)；(DIP封裝)

A2、A1、A0：器件/頁(yè)面尋址，器件地址：1010A2、A1、A011.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件1.AT24系列

11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件1.AT24系列存貯器

—I2C串行接口的EEPROM11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件1.AT24系列

11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件1.AT24系列存貯器

—I2C串行接口的EEPROM11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件1.AT24系列

11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件2.SLE4442—2線(xiàn)連接協(xié)議（ISO7816）加密卡（磁生電供電）還有射頻卡：13.56M非接觸IC卡符合ISO14443TYPEA+ISO7816標(biāo)準(zhǔn)ISO7816協(xié)議與IIC協(xié)議不相同！SLE4442德國(guó)西門(mén)子SIMENS公司邏輯加密存儲(chǔ)卡。具有2K位的存儲(chǔ)容量和完全獨(dú)立的可編程代碼存儲(chǔ)器PSC。單+5V電壓供電，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的一種IC卡芯片。2線(xiàn)連接協(xié)議（串行接口滿(mǎn)足ISO7816同步傳送協(xié)議每字節(jié)擦除/寫(xiě)入編程時(shí)間為2.5ms。至少10000次的擦寫(xiě)，數(shù)據(jù)保持10年。芯片引腳SLE4442的觸點(diǎn)安排見(jiàn)下圖

11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件2.SLE44

11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件3.PCF8563—I2C串行接口的實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘PCF8563I2C時(shí)鐘芯片見(jiàn)教材；HYM1302高性能、低功耗帶RAM實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片

HYM1302(DS1302)可慢速充電實(shí)時(shí)時(shí)鐘，含實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)非易失靜態(tài)RAM。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷可對(duì)秒，分，時(shí)，日，周，月，和年進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)于小于31天的月，月末的日期自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，還具有閏年校正的功能。時(shí)鐘可以采用24小時(shí)格式或帶AM（上午）/PM（下午）的12小時(shí)格式。31字節(jié)的RAM可以用來(lái)臨時(shí)保存一些重要數(shù)據(jù)。通信僅需3根線(xiàn)：（1）RST（復(fù)位），（2）I/O（數(shù)據(jù)線(xiàn)）和（3）SCLK（串行時(shí)鐘）。寬工作電源電壓范圍：2.0V～5.5V；2.5V時(shí)耗電小于300nA；3線(xiàn)接口，TTL兼容封裝形式：DIP8和SOP8；可完全兼容DALLAS的DS1302。11.2兩線(xiàn)串行總線(xiàn)典型器件3.PCF856

11.3I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用新近推出的增強(qiáng)型高性能單片機(jī)大都片內(nèi)自帶標(biāo)準(zhǔn)I2C總線(xiàn)接口。MCS-51系列單片機(jī)片內(nèi)無(wú)I2C總線(xiàn)接口，則可以使用I/O口軟件模擬I2C總線(xiàn)。1.MCS-51與I2C器件的連接

使用單片機(jī)I/O口模擬I2C總線(xiàn)時(shí)，只需兩條I/O口線(xiàn)即可，在軟件中分別定義成SCL和SDA。模擬I2C接口時(shí)，要軟件模擬I2C串行總線(xiàn)的通信時(shí)序。圖7-21I/O口模擬I2C總線(xiàn)11.3I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用新近

2.I2C總線(xiàn)的典型應(yīng)用

24xx系列的E2PROM存儲(chǔ)器是應(yīng)用比較廣泛的I2C總線(xiàn)器件之一。24C04內(nèi)部組織為512×8位，16字節(jié)頁(yè)寫(xiě)。

【例7-4】24C04與8051的接口電路如圖，8051通過(guò)I2C總線(xiàn)接口對(duì)24C04進(jìn)行多字節(jié)寫(xiě)操作的程序流程圖如圖。試編寫(xiě)多字節(jié)寫(xiě)程序。圖7-2324C04多字節(jié)寫(xiě)操作流程圖流程圖¤

11.3I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用2.I2C總線(xiàn)的典型應(yīng)用【例7-4

11.3I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

24C04寫(xiě)入多字節(jié)子程序：

SCLBITP3.2；定義時(shí)鐘線(xiàn)

SDABITP3.3；定義數(shù)據(jù)線(xiàn)START:LCALLSTAR；調(diào)起始信號(hào)

MOVR2，#08H；8字節(jié)（括地址）

MOVDPTR，#TAB；定義數(shù)據(jù)指針LOOP:MOVA，#00HMOVCA，@A+DPTRLCALLSEND；發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)

LCALLACKC；接收應(yīng)答信號(hào)

JCLOOP；JC什么意思？？INCDPTRDJNZR2，LOOP

LCALLSTOP；調(diào)停止信號(hào)

RETTAB：DB0A0H,10H,01H,02H,03H,04H,05H,06HSTAR：CLRSCL；起始信號(hào)

SETBSDAACALLDELAYSETBSCLACALLDELAYCLRSDAACALLDELAYCLRSCLRETSTOP：CLRSCL；停止信號(hào)

CLRSDA11.3I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用24C0

11.3I2C在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

ACALLDEL