單片機原理及接口技術 課件 第十章 IIC通信協(xié)議與典型電路應用

單原及接片理口技術機12第十章IIC通信協(xié)議與典型電路應用01IIC時序初步認識02IIC通信協(xié)議AT24C02芯片03AT24C02芯片與單片機通信的典型示例04利用PCF8574芯片擴展I/O端口PrincipleandinterfacetechnologyofMicrocomputer05習題IIC通信協(xié)議與典型電路應用單片機常用通信協(xié)議中，IIC通信協(xié)議是常用協(xié)議之一。該通信總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，常用于連接微處理器及其外圍芯片。IIC總線的主要特點是接口方式簡單，只需兩條線可掛載多個參與通信的器件，即多機模式，并且任何一個器件都可以作為主機用來發(fā)布指令和數據。從原理上來講，以前學過的UART屬于異步通信，比如電腦發(fā)送給單片機，電腦只負責把數據通過TXD發(fā)送出來即可，接收數據是由單片機負責的事情。而IIC屬于同步通信，在IIC通信總線中，SCL時鐘總線負責收發(fā)時鐘節(jié)拍，SDA數據總線負責傳輸數據。IIC的發(fā)送方和接收方都要以SCL這個時鐘節(jié)拍為基準進行數據的發(fā)送和接收。從應用上來講，串行UART通信多用于板間通信，比如單片機和電腦，這個設備和另外一個設備之間的通信。IIC多用于板內通信，比如單片機和板載芯片之間的通信。01IIC時序初步認識IIC時序概述IIC（inter-Integratedcircuit）,兩線式串行總線，用于MCU和外設間的通信。在硬件上，IIC總線由時鐘總線SCL和數據總線SDA兩條總線構成，以半雙工方式實現MCU和外設之間數據傳輸，速度可達400kbps，連接到總線上的所有器件的時鐘總線SCL都連到一起，所有數據總線SDA連到一起。IIC總線是開漏并聯(lián)的結構，外部要添加上拉電阻。對于開漏電路外部加上拉電阻，就組成了線“與”的關系?？偩€上線“與”的關系意義是指，所有接入的器件該條總線保持高電平，這條線才是高電平，但是其中任何一個器件輸出低電平，那這條線就會保持低電平，因此可以做到任何一個器件都可以拉低電平，這樣也就說明任何一個器件都可以作為主機。絕大多數情況下我們都是用單片機來做主機，通過IIC總線掛載多個器件，其中每一個都像門牌一樣有自己唯一的地址，在信息傳輸的過程中，通過這個地址就可以正常識別到屬于自己的信息。如圖10-1所示，掛載多個IIC從機的示意圖。1.1IIC時序協(xié)議過去章節(jié)介紹UART串行通信的時候，說明了通信流程分為起始位、數據位、停止位這三部分，同理在IIC中也有起始信號、數據傳輸和停止信號的定義，如圖10-2所示。1.2從圖上可以看出來，IIC和UART時序流程類似，同時也有區(qū)別。UART每一個字節(jié)中，都有一個起始位、8個數據位、1位停止位。而IIC分為起始信號、傳輸信號、停止信號。其中傳輸信號部分，可以單次傳輸很多個字節(jié)，字節(jié)數是不受限制的，而每個字節(jié)的數據最后也跟一個應答位，通常用ACK表示，相當于UART的停止位。下面把IIC通信時序進行具體分析。之前我們已經學過了串行UART，大家心里有了傳輸的概念，因此學習IIC的過程以UART來作比較，有助于理解。在UART通信過程中，雖然用了TXD和RXD兩根線，但是實際使用中，一條線就可以完成，兩根線是把發(fā)送和接收分開而已，但是IIC每次通信，不管是發(fā)送還是接收，必須兩根線都參與工作才能完成，為了更方便的看出來每一位的傳輸流程，下面把IIC的數據傳輸過程分離出來。1、數據有效性規(guī)定IIC總線進行數據傳送時，時鐘信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。如圖10-3所示。2、起始和終止信號SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號;SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。如圖10-4所示是IIC起始和終止信號示意圖。起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信號產生后，總線就處于被占用的狀態(tài);在終止信號產生后，總線就處于空閑狀態(tài)。連接到IIC總線上的器件，若具有IIC總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。接收器件收到一個完整的數據字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內部中斷服務等，可能無法立刻接收下一個字節(jié)，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個字節(jié)時，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數據傳送可以繼續(xù)進行。3、數據應答格式每當主機向從機發(fā)送完一個字節(jié)的數據，主機總是需要等待從機給出一個應答信號，以確認從機是否成功接收到了數據，從機應答主機所需要的時鐘仍是主機提供的，應答出現在每一次主機完成8個數據位傳輸后緊跟著的時鐘周期，低電平0表示應答，1表示非應答，如圖10-5所示。4、數據幀格式IIC總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數據信號。在起始信號后必須傳送一個從機的地址（7位），第8位是數據的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機發(fā)送數據（T），“1”表示主機接收數據（R）。{這里小編在驅動MPU6050模塊的時候，就犯過這樣的錯誤，它寫的MPU6050從機地址是0x68,因為發(fā)送從機地址的時候，要加一位讀寫方向位，因為剛開始應該是向這個MPU6050里寫從機里某個寄存器的地址，所以應該是7位地址0x68(1101000)+二進制位0=11010000）也就是0xD0,表示要向該IIC設備里寫東西，然后再緊接著寫入IIC設備里的寄存器地址，而我直接寫入了0x68,導致出錯}，每次數據傳送總是由主機產生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續(xù)占用總線進行新的數據傳送，則可以不產生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機進行尋址。在總線的一次數據傳輸過程中，可以有以下幾種組合方式：1、主機向從機發(fā)送數據，數據傳送方向在整個傳輸過程中不發(fā)生改變。具體傳輸過程如圖10-6所示。其中有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數據由從機向主機傳送。A表示應答(低電平)，A非表示非應答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。2、主機在第一個字節(jié)后，立即從從機讀數據，傳輸數據格式如圖10-7所示。在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相，反相的數據傳輸格式如圖10-8所示。單片機模擬IIC時序信號代碼51單片機I/O端口不具有IIC數據傳輸功能，因此我們采取通過軟件對電平的高低操作來實現IIC數據傳輸。下面是起始信號檢測、終止信號檢測、應答信號、非應答信號、等待應答信號、接收一個字節(jié)和讀取一個字節(jié)的基本代碼指令。1.3IIC通信協(xié)議AT24C02芯片02AT24C02芯片概述2.1AT24C02是一個2K位串行CMOSEEPROM芯片，該芯片內部含有256個8位字節(jié)。有一個8字節(jié)頁寫入緩沖器。器件通過IIC總線接口進行操作，可工作在低電壓低功耗模式下，常應用于工業(yè)或者商業(yè)場景中，封裝形式一般為：PDIP、SOIC、MAP、SSOP，圖10-9是PDIP封裝形式。AT24C02芯片特性：1、可工作于低電壓和低功耗模式下；2、兩線串行接口，簡便連接方式；3、雙向數據可同時傳輸；4、高可靠性：一百萬次讀寫操作，數據保存長達100年；5、滿足工業(yè)級和高溫高濕要求。AT24C02引腳分配和參數工作表：尋址引腳（A0、A1和A2）：A0、A1和A2引腳用于多器件之間的尋址操作，將這些輸入引腳上的電平與從器件地址中的相應位做比較，如果比較結果為“真”，則該器件被選中，地址尋址工作完成。在本章節(jié)講述實驗中，片選信號地址輸入引腳A0、A1和A2被直接接到邏輯0（也就是接地）上，直接由單片機控制其應用，尋址功能并沒有使用，但是如果有多個器件，該功能被正確使用即可達到尋址的目的和效果。數據引腳（SDA）：串行數據引腳為雙向引腳，用于把地址和數據輸入/輸出器件，該引腳為漏極開路電路，需要外接上拉電阻。AT24C02總線工作原理：IIC總線進行數據傳送時，時鐘信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。下面按照芯片使用邏輯將AT24C02起始和終止信號、數據傳送信號的總線工作原理總結如下：起始和終止信號：SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。數據傳送信號：每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數據傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。如果一段時間內沒有收到從機的應答信號，則自動認為從機已正確接收到數據。AT24C02芯片與單片機通信的典型示例03項目要求：利用單片機（示例型號AT89C51）的P1、P2和P3端口分別與按鍵部分（獨立按鍵S），顯示部分（LCD1602）和IIC協(xié)議存儲芯片（AT24C02）連接，最終在LCD1602顯示對按鍵計數的程序，在這個項目中，既能學習對AT24C02的存儲、讀取過程，又能熟悉P3端口的工作模式。項目仿真和電路圖設計3.1通過Proteus繪制項目電路圖，并且通過該軟件能夠制作PCB板的功能，實現電路的設計、仿真和實現，Proteus仿真電路圖如圖10-12所示。利用Proteus繪制基于AT24C02對按鍵計數項目有以下器件：LM016L：2行16列液晶（EN三個控制端口（共14線），工作電壓為5V。無背光，可顯示2行16列英文字符，有8位數據總線D0-D7）；AT24C02：2K串行CMOSE2PROM芯片；BUTTON（S）：獨立按鍵；項目軟件設計3.2根據本章主要內容是對2K串行CMOSE2PROM芯片使用的IIC通信協(xié)議進行詳細講解，而本程序中涉及到的定時計數器、LCD1602和串行數據傳輸等功能程序已經在前序章節(jié)介紹，所以在本次程序講解過程中不詳解，請主要關注的是如何利用單片機IO端口高低電平變化而模擬IIC通信協(xié)議傳輸的效果。實驗完成需要補充的是，51單片機內部是不具備IIC硬件模塊的，所有51單片機都是通過對IO端口高低電平變化的控制模擬IIC通訊協(xié)議。當然，使用IO口高低電平變換模擬IIC，更有利于徹底理解透徹IIC通信的實質。今后，如果使用到內部自帶IIC模塊的單片機（例如STM32），學習IIC通訊協(xié)議會更輕松，使用內部的硬件模塊，可以提高程序的執(zhí)行效率。利用PCF8574芯片擴展I/O端口04PCF8574芯片概述4.1PCF8574是CMOS電路。它通過兩條雙向總線（IIC）可使51單片機實現I/O口擴展。該器件包含一個8位準雙向口和一個IIC總線接口。PCF8574電流消耗很低，且I/O口輸出鎖存具有大電流驅動能力，可直接驅動LED。它還帶有一條中斷接線（INT）可與MCU的中斷邏輯相連。通過INT發(fā)送中斷信號，遠端I/O口不必經過IIC總線通信就可通知MCU是否有數據從端口輸入。這意味著PCF8574可以作為一個單被控器。PCF8574芯片具有以下特性：操作電壓2.5-6.0V；低備用電流（≤10μA）；IIC并行口擴展電路開漏中斷輸出IIC總線實現8位遠程I/O口與大多數MCU兼容輸出鎖存具有大電流驅動能力，可直接驅動LED通過3個硬件地址引腳可尋址8個器件（PCF8574A可多達16個）DIP16，SO16或SSOP20形式封裝PCF8574芯片封裝格式如圖10-13所示。利用PCF8574芯片實現驅動LCD項目4.2液晶顯示一般用到4根或者是8根的數據線，這樣的方式會占用較多的I/O口，影響51單片機的使用。PCF