I2C与单总线.doc

I2C总线——学习
专业知识—单片机 2009-12-14 22:44:25 阅读119 评论0   字号：大中小 订阅
一、总述：
 I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。
 I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

 I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

 每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。  
在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱， I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。
 二、数据传送：
 1、规定：I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

2、起始信号和终止信号：SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。 

起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。 连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。 
接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。 
3、数据传送格式：
（1）、字节传送与应答：
 每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

 由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。
如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。
当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。
（2）、数据帧的格式：
I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。
在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。
 在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：
a、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

 注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。
    A表示应答， A非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。
 b、主机在第一个字节后，立即从从机读数据 ：

c、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。

4、总线的寻址：
 I2C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。
 （1）寻址字节的位定义 ：

 D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。
主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。
从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。
5、典型信号模拟：
（1）、 为了保证数据传送的可靠性，标准的I2C总线的数据传送有严格的时序要求。I2C总线的起始信号、终止信号、发送“0”及发送“1”的模拟时序 ：

 （2）、典型信号模拟子程序：
起始信号：
 Void T2CStart(void)
{       SDA = 1;             //置数据线高电平
SomeNop(  );              //延时
SCL = 1;                     //置时钟线高电平
SomeNop(  );              //延时
SDA = 0;                     //置下降沿
SomeNop(  );
}
终止信号：
void I2cStop(void)
{
SDA = 0;                 //置数据线低电平
SomeNop(  );
SCL = 1;                  //置时钟线高电平
SomeNop(  );
SDA = 1;                  //置数据线高电平
SomeNop(  );
} 　
注意：在I2C总线的应用中应注意的事项总结为以下几点 :
　　1） 严格按照时序图的要求进行操作，
　　2） 若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻。
　　3） 程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时。
　　4） 为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或
               者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断
                EEPROM是否被意外改写。  

单总线

单总线通信协议中存在两种写时隙：写0写1。主机采用写1时隙向从机写入1，而写0时隙向从机写入0。所有写时隙至少要60us，且在两次独立的写时隙之间至少要1us的恢复时间。两种写时隙均起始于主机拉低数据总线。产生1时隙的方式：主机拉低总线后，接着必须在15us之内释放总线，由上拉电阻将总线拉至高电平；产生写0时隙的方式为在主机拉低后，只需要在整个时隙间保持低电平即可（至少60us）。在写时隙开始后15~60us期间，单总线器件采样总电平状态。如果在此期间采样值为高电平，则逻辑1被写入器件；如果为0，写入逻辑0。
下图为写时隙（包括1和0）时序

上图中黑色实线代表系统主机拉低总线，黑色虚线代表上拉电阻将总线拉高。
对于读时隙，单总线器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据。所有主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便从机能够传输数据。所有读时隙至少需要60us，且在两次独立的读时隙之间至少需要1us恢复时间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1us。在主机发出读时隙后，单总线器件才开始在总线上发送1或0。若从机发送1，则保持总线为高电平；若发出0，则拉低总线。
当发送0时，从机在读时隙结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。从机发出的数据在起始时隙之后，保持有效时间15us，因此主机在读时隙期间必须释放总线，并且在时隙起始后的15us之内采样总线状态。
下图给出读时隙（包括0或1）时序

图中黑色实线代表系统主机拉低总线，灰色实线代表总局拉低总线，而黑色的虚线则代表上拉电阻总线拉高。
单总线通信的初始化
单总线上所有的通信都是以初始化序列开始的，初始化序列包括主机发出的复位脉冲及从机的应答脉冲，这一过程如图所示，黑色实线代表系统主机拉低总线，灰色实线代表从机拉低总线，而黑色的虚线则代表上拉电阻将总线拉高。

系统主设备发送端发出的复位脉冲是一个480~960us的低电平，然后释放总线进入接收状态。此时系统总线通过4.7K的上拉电阻接至vcc高电平，时间约为15~60us，接在接受端的设备就开始检测io引脚上的下降沿以及监视在脉冲的到来。主设备处于这种状态下的时间至少480us。
作为从设备在接收到系统主设备发出的复位脉冲之后，向总线发出一个应答脉冲，表示从设备已准备好，可根据各种命令发送或接收数据。通常情况下，器件等待15~60us即可发送应答脉冲