【大學課件】單片機i方C串行總線的應用 基本知識儲存器

單片機I2C串行總線的應用：基本知識與存儲器本課程將深入探討單片機I2C串行總線技術(shù)，涵蓋基本概念、硬件結(jié)構(gòu)、軟件編程以及在存儲器和其他設(shè)備中的應用。我們將學習如何有效利用這一強大的通信協(xié)議。一、I2C總線的基本概念定義I2C是一種簡單、雙向、兩線制的同步串行總線。它由飛利浦公司開發(fā)，用于芯片間的短距離通信。應用范圍廣泛應用于消費電子、工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)中，連接微控制器和各種外圍設(shè)備。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可擴展性強，支持多主機和多從機通信。1.I2C總線的特點雙向通信支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)主從設(shè)備之間的靈活交互。地址識別每個設(shè)備都有唯一的地址，支持多設(shè)備共享總線。時鐘同步使用同步時鐘信號，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。2.I2C總線的工作原理1空閑狀態(tài)SDA和SCL線都保持高電平。2起始條件SDA從高變低，而SCL保持高電平。3數(shù)據(jù)傳輸SCL為高時，SDA上的數(shù)據(jù)有效。4停止條件SDA從低變高，而SCL保持高電平。3.I2C總線的通信流程起始條件主機發(fā)送通信開始信號。地址幀發(fā)送7位設(shè)備地址和讀/寫位。數(shù)據(jù)幀逐字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)，每字節(jié)后有應答位。停止條件主機發(fā)送通信結(jié)束信號。二、I2C總線的硬件結(jié)構(gòu)信號線SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時鐘線）構(gòu)成了I2C總線的物理層。設(shè)備接口主從設(shè)備通過特定的接口電路連接到總線。上拉電阻用于維持總線的高電平狀態(tài)，確保信號質(zhì)量。1.SDA和SCL信號線SDA（串行數(shù)據(jù)線）用于傳輸雙向數(shù)據(jù)，支持主從設(shè)備之間的信息交換。SCL（串行時鐘線）由主設(shè)備產(chǎn)生，用于同步數(shù)據(jù)傳輸，控制通信速率。開漏結(jié)構(gòu)兩條信號線都采用開漏結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)"線與"功能，支持多主機操作。2.主從設(shè)備接口電路主設(shè)備接口通常為微控制器，具有I2C控制器，能夠產(chǎn)生時鐘信號和控制總線。從設(shè)備接口各種外圍芯片，如EEPROM、傳感器等，能夠響應主設(shè)備的命令。電平轉(zhuǎn)換在不同電壓域之間可能需要電平轉(zhuǎn)換電路，確保信號兼容性。3.總線上拉電阻功能將SDA和SCL線拉至高電平，實現(xiàn)開漏輸出的正常工作。選擇電阻值需要根據(jù)總線電容和所需的上升時間來選擇，通常在1kΩ到10kΩ之間。影響因素總線速度、噪聲immunity和功耗都會受到上拉電阻值的影響。三、I2C總線的軟件編程1底層驅(qū)動實現(xiàn)基本的I2C總線操作函數(shù)。2協(xié)議層處理I2C通信協(xié)議，如起始、停止條件和數(shù)據(jù)傳輸。3設(shè)備驅(qū)動針對特定I2C設(shè)備的操作函數(shù)。4應用層利用I2C通信實現(xiàn)具體功能。1.起始、停止條件的產(chǎn)生起始條件1.SCL保持高電平2.SDA從高電平切換到低電平停止條件1.SCL保持高電平2.SDA從低電平切換到高電平2.字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收1發(fā)送數(shù)據(jù)主機將8位數(shù)據(jù)依次放到SDA線上，從高位到低位。2時鐘同步每位數(shù)據(jù)傳輸時，SCL產(chǎn)生一個時鐘脈沖。3接收數(shù)據(jù)接收方在SCL高電平期間讀取SDA線上的數(shù)據(jù)。4應答位每個字節(jié)后跟隨一個應答位，由接收方控制。3.應答位的產(chǎn)生和檢測應答位定義每傳輸8位數(shù)據(jù)后，接收方需要產(chǎn)生一個應答位。應答信號接收方將SDA線拉低表示應答（ACK），保持高電平表示非應答（NACK）。檢測方法發(fā)送方在第9個時鐘周期讀取SDA線狀態(tài)，判斷是否收到應答。四、EEPROM存儲器的應用非易失性存儲EEPROM可保持數(shù)據(jù)，即使斷電也不會丟失信息。電擦寫支持電子方式擦除和重寫，無需紫外線。I2C接口許多EEPROM芯片支持I2C接口，便于與微控制器集成。1.EEPROM的基本結(jié)構(gòu)存儲單元由浮柵MOS管構(gòu)成，可以長期保存電荷狀態(tài)。地址譯碼器用于選擇特定的存儲單元進行讀寫操作?？刂七壿嫻芾碜x寫時序，執(zhí)行擦除和編程操作。2.EEPROM的讀寫操作寫操作發(fā)送設(shè)備地址、存儲地址，然后寫入數(shù)據(jù)。頁寫入一次可寫入多個字節(jié)，提高效率。讀操作發(fā)送設(shè)備地址、存儲地址，然后讀取數(shù)據(jù)。順序讀取可連續(xù)讀取多個字節(jié)，地址自動遞增。3.典型EEPROM芯片的引腳功能VCC和GND電源和接地引腳，為芯片提供工作電壓。SCL和SDAI2C接口的時鐘線和數(shù)據(jù)線，用于通信。A0-A2地址選擇引腳，用于設(shè)置芯片在I2C總線上的地址。WP寫保護引腳，用于防止意外寫入。五、I2C總線上的其他設(shè)備1.時鐘芯片DS1307功能提供精確的實時時鐘功能，包括年、月、日、時、分、秒。特點低功耗，帶有電池備份，可在主電源斷開時保持時間計數(shù)。接口通過I2C總線與微控制器通信，設(shè)置和讀取時間數(shù)據(jù)。2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7819分辨率8位分辨率，可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為0-255的數(shù)字值。轉(zhuǎn)換速度高速轉(zhuǎn)換，適合快速采樣應用。I2C控制通過I2C總線控制轉(zhuǎn)換過程和讀取數(shù)據(jù)。3.數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量范圍可測量-55°C到+125°C的溫度范圍。精度±0.5°C的精度，適合各種溫度監(jiān)測應用。數(shù)字輸出直接輸出數(shù)字溫度數(shù)據(jù)，無需外部轉(zhuǎn)換。總線兼容雖然原生支持1-Wire總線，但可通過適配器連接I2C總線。六、I2C總線技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應用1傳感器接口連接各種環(huán)境和運動傳感器。2存儲擴展添加EEPROM或Flash存儲器。3顯示控制驅(qū)動LCD或OLED顯示模塊。4系統(tǒng)管理實現(xiàn)電源管理和時鐘同步。1.多傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度監(jiān)測使用多個DS18B20傳感器監(jiān)測不同區(qū)域溫度。濕度控制集成濕度傳感器，實現(xiàn)環(huán)境濕度的精確控制。壓力測量利用壓力傳感器監(jiān)測系統(tǒng)壓力變化。2.數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)1數(shù)據(jù)采集使用AD7819等ADC采集模擬信號。2數(shù)據(jù)處理微控制器對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析。3數(shù)據(jù)存儲將處理后的數(shù)據(jù)存儲到EEPROM中。4控制輸出根據(jù)分