I2C串行總線的應(yīng)用基本知識和存儲器

1、1,5.2 I2C串行總線的應(yīng)用基本知識+存儲器,2,一、I2C串行總線的組成及工作原理,采用串行總線技術(shù)可以使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡化、系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高。同時(shí)，系統(tǒng)的更改和擴(kuò)充極為容易。 常用的串行總線有： I2C （Inter IC BUS）總線、單總線（1WIRE BUS）、SPI（Serial Peripheral Interface）總線及Microwire/PLUS等。,3,I2C串行總線概述,I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。速率可達(dá)100Kb/s或400Kb/s。 I2C總線只有兩根雙

2、向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。,4,I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。,5,每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送。,在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機(jī)控制總線。 在80C51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的串行總線擴(kuò)展中，我們經(jīng)常遇到的是以80C51單片機(jī)為主機(jī)，其它接口器件為從機(jī)的單主機(jī)情況。,6,1 數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定 I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

3、送時(shí)，時(shí)鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。,二、I2C總線的數(shù)據(jù)傳送,7,2 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。,8,起始和終止信號都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。,連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線硬件接口，則能檢測到起始和終止信號。對于不具備I2C總線硬件接口的設(shè)備（包括單片機(jī)），為了檢測起始和終止信號，必須保證在每個(gè)

4、時(shí)鐘周期內(nèi)對數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次。,傳送中斷：接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，可能需要完成其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，無法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，主機(jī)便可繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。,9,3 數(shù)據(jù)傳送格式 （1）字節(jié)傳送與應(yīng)答,每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。,10,無應(yīng)答：由于某種原因從機(jī)不對主機(jī)尋址信號應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無法接收數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，

5、而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。,如果從機(jī)對主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在傳送一段時(shí)間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對無法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。,當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號。這個(gè)信號是由對從機(jī)的“非應(yīng)答”來實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號。,11,（2）數(shù)據(jù)幀格式 I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。,在起始信號后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T）

6、，“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號結(jié)束。連續(xù)傳送：若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機(jī)進(jìn)行尋址。,12,a、主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過程中不變：,注：陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。 A表示應(yīng)答， A表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。,數(shù)據(jù)傳送組合方式：,13,b、主機(jī)發(fā)送第一個(gè)字節(jié)后，由從機(jī)發(fā)數(shù)據(jù),c、在傳送過程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相，即連續(xù)傳送。,14,三、總

7、線的尋址,I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個(gè)字節(jié)）。 1 尋址字節(jié)的位定義,D7D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。,15,主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器。 從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件

8、，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。,16,2 尋址字節(jié)中的特殊地址 固定地址編號0000和1111已被保留作為特殊用途。,17,3 起始字節(jié),不具備I2C總線接口的單片機(jī)，則必須通過軟件不斷地檢測總線，以便及時(shí)地響應(yīng)總線的請求。單片機(jī)的速度與硬件接口器件的速度就出現(xiàn)了較大的差別，為此，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送要由一個(gè)較長的起始過程加以引導(dǎo)。,起始字節(jié)是提供給沒有I2C總線接口的單片機(jī)查詢I2C總線時(shí)使用的特殊字節(jié)。,18,四、51單片機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)I2C串行接口,為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時(shí)序要求。見圖：,1 模擬IIC總線數(shù)據(jù)傳送,不帶I2C總線接

9、口的單片機(jī)，如AT89C51、2051等，可利用軟件實(shí)現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結(jié)合的信號模擬。,19,教材未標(biāo)明SDA和SCL,20,2 典型信號模擬子程序,C51函數(shù) Void I2CStart(void) SDA = 1; SCL = 1; SDA = 0; SCL = 0; ,（1）起始信號 start: setb SDA nop setb SCL nop clr SDA nop clr SCL nop ret,21,C51函數(shù) void I2cStop(void) SCL = 0; SDA = 0; SCL = 1; SDA = 1; ,（2）終止信號 stop: clr

10、SCL nop clr SDA nop setb SCL nop setb SDA nop ret,22,3 用I2C總線擴(kuò)展器件,擴(kuò)展電路（單片機(jī)管腳靈活）,23,4 串行E2PROM的擴(kuò)展,（1）串行E2PROM典型產(chǎn)品,AT24C01：128字節(jié)（1288位）； AT24C02：256字節(jié)（2568位）； AT24C04：512字節(jié)（5128位）AT24C08：1K字節(jié)（1K8位）； AT24C16：2K字節(jié)（2K8位）； 固定地址部分為1010,ATMEL公司的AT24C系列：,24,（2）寫入過程 AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分為1010，A2、A1、A0引腳接高、低電

11、平后得到確定的3位編碼。形成的7位編碼即為該器件的地址碼。大于256字節(jié)的存儲器，管腳A2-A0不使用。,單片機(jī)進(jìn)行寫操作時(shí)，首先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（共8位，即一個(gè)字節(jié)），發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘信號。被選中的存儲器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號作為響應(yīng)，單片機(jī)收到應(yīng)答后就可以傳送數(shù)據(jù)了。,25,傳送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)首先發(fā)送一個(gè)字節(jié)的被寫入器件的存儲區(qū)的首地址，收到存儲器器件的應(yīng)答后，單片機(jī)就逐個(gè)發(fā)送各數(shù)據(jù)字節(jié)，但每發(fā)送一個(gè)字節(jié)后都要等待應(yīng)答。,AT24C系列器件片內(nèi)地址在接收到每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)地址后自動(dòng)加1，在芯片的“一次裝載字

12、節(jié)數(shù)”（不同芯片字節(jié)數(shù)不同）限度內(nèi)，只需輸入首地址。裝載字節(jié)數(shù)超過芯片的“一次裝載字節(jié)數(shù)”時(shí)，數(shù)據(jù)地址將“上卷”，前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋。,當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)傳送完后，單片機(jī)應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束寫入操作。寫入n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)格式 ：,終止信號到重新起始的時(shí)間為10ms。,26,（3）讀出過程 單片機(jī)先發(fā)送該器件的7位地址碼和寫方向位“0”（“偽寫”），發(fā)送完后釋放SDA線并在SCL線上產(chǎn)生第9個(gè)時(shí)鐘信號。被選中的存儲器器件在確認(rèn)是自己的地址后，在SDA線上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號作為相應(yīng)。,然后，再發(fā)一個(gè)字節(jié)的要讀出器件的存儲區(qū)的首地址，收到應(yīng)答后，單片機(jī)要重復(fù)起始信號并發(fā)出器件地址和讀方向位（“1”），收到器

13、件應(yīng)答后就可以讀出數(shù)據(jù)字節(jié)，每讀出一個(gè)字節(jié)，單片機(jī)都要回復(fù)應(yīng)答信號。當(dāng)最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀完后，單片機(jī)應(yīng)返回以“非應(yīng)答”（高電平），并發(fā)出終止信號以結(jié)束讀出操作。,27,單片機(jī)訪問I2C存儲器示例,例，存儲器為24C02，A2-A0地址信號接地，89C51單片機(jī)的P1.1和P1.0分別連接存儲器的SCL和SDA信號，如圖。編寫程序完成單個(gè)字節(jié)寫入和讀取功能。 入口參數(shù)：R3器件地址，R4片內(nèi)地址，R1保存在單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)地址指針。,28,寫入源程序（P1.0 data，P1.1 clk）,W24: CLR P1.0 ;發(fā)開始信號 MOV A，R3 ;送器件地址 LCALL SBYTE MOV A

14、，R4 ;送片內(nèi)地址 LCALL SBYTE MOV A，R1 LCALL SBYTE ;發(fā)單個(gè)字節(jié) CLR P1.0 ;準(zhǔn)備停止 NOP ;降低傳輸速率 SETB P1.1 NOP SETB P1.0 ; 發(fā)停止信號 RET,SBYTE: ; 發(fā)送單字節(jié)（8個(gè)bit）子程序 MOV R0, #08H LP: CLR P1.1 RLC A ;移待發(fā)數(shù)據(jù)位到C MOV P1.0，C ;送一bit到數(shù)據(jù)總線 NOP SETB P1.1 NOP DJNZ R0，LP ;循環(huán)8次 CLR P1.1 SETB P1.0 ;允許對方應(yīng)答 NOP SETB P1.1 WT: MOV C，P1.0 JC WT

15、 ;等待答到 CLR P1.1 ;對方撤銷應(yīng)答 RET,29,C51寫入源程序,#include #include #define uchar unsigned char sbit SDA = P10; sbit SCL = P11; void Sbyte (uchar c) uchar bcount; for (bcount=0;bcount8;bcount+) SCL = 0; if (cbcount) ,30,讀單字節(jié)取源程序（P1.0 data，P1.1 clk）,R24EP: MOV P1, #0FFH CLR P1.0 ; 發(fā)開始信號 MOV A,R3 ; 送器件地址 LCALL

16、SBYTE ; 調(diào)發(fā)送單字節(jié)子程序 MOV A,R4 ; 送片內(nèi)字節(jié)地址 LCALL SBYTE MOV P1,#0FFH CLR P1.0 ; 再發(fā)開始信號 MOV A,R3 SETB ACC.0 ; 發(fā)讀命令 LCALL SBYTE LCALL RBYTE MOV R1,A CLR P1.0 NOP SETB P1.1 NOP SETB P1.0 ; 送停止信號 RET,31,讀取源程序（P1.0 data，P1.1 clk）,RBYTE:MOV R0,#08H ; 接收單字節(jié)子程序 LOOP1: SETB P1.1 NOP MOV C,P1.0 ; 把數(shù)據(jù)送到C RLC A ;將數(shù)據(jù)位移

17、入累加器A CLR P1.1 NOP DJNZ R0,LOOP1 ;讀完8個(gè)bit SETB P1.0 ;置ACK=1，不應(yīng)答 NOP SETB P1.1 NOP CLR P1.1 RET,32,C51讀取源程序,uchar Rbyte( ) uchar data1, bcount; SDA = 1; data1 = 0; for (bcount=0;bcount8;bcount+) SCL = 0; Delay(); SCL = 1; Delay(); data1 = data1 1; if(SDA=1)data1 +=1; Delay(); SCL =0; return(data1); void W24EP(uchar addr1, uchar *addr2) P1 = 0 xff; SDA = 0; Sbyte(0 xa0); Sbyte(addr1); P1 = 0 xff; SDA = 0; Sbyte(0 xa1); *addr2 = Rbyte(); SDA =1; Delay(); SCL =1; Delay(); SCL =0; SDA = 0; Delay(); SCL = 1; Delay(); SDA =1; ,33,課程小節(jié) 單片機(jī)基本知識+應(yīng)用+微機(jī),34,基本知識： 組成與管腳，最小系統(tǒng)，存儲器，I/O端