《I2C总线接口技术的应用》

http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 注：本文档出自《51 单片机C语言快速上手》，欢迎进入我们的 网站下载全套完整教程，请点击：http://www.sshmcu.com/ 原创：盛世电子科技 《I2C 总线接口技术的应用》 什么是 I2C 总线？I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司 开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。也可以简单地理解为 I2C 是微控制器与外围芯片的一种通讯 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。在不同的书籍中，可能会称为 I2C，IIC，或 者 I 平方 C，但是概念也是一样的，只是叫法不同。 一﹑I2C 总线特点 I2C 总线的优点非常多，其中最主要体现在 1：硬件结构上具有相同的接口界面； 2：电路接口的简单性；3：软件操作的一致性。I2C 总线占用芯片的引脚非常的少， 只需要两组信号作为通信的协议，一条为数据线（SDA），另一条为时钟线（SCL）。 因此减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，所以降低了互联成本。总线的长度可高 达 25 英尺，并且能够以 10Kbps 的最大传输速率支持 40 个组件。I2C 总线还具备了另 一个优点，就是任何能够进行发送和接收数据的设备都可以成为主控机。当然，在任 何时间点上只能允许有一个主控机。 图 5-20（总线连接图） 二﹑I2C 总线工作原理 图 5-20 为 I2C 总线的连接图。I2C 总线是由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成的 串行总线，可发送和接收数据。在单片机与被控 IC 之间，最高传送速率 100kbps。 http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 各种 I2C 器件均并联在这条总线上，就像电话线网络一样不会互相冲突，要互相通信 就必须拨通其电话号码，每一个 I2C 模块都有唯一地址。并接在 I2C 总线上的模块， 既可以是主控器（或被控器），也可以是发送器（或接收器），这取决于它所要完成 的功能。I2C 总线在传送数据过程中共有四种类型信号， 它们分别是：起始信号、 停止信号﹑应答信号与非应答信号。 三﹑I2C 总线数据的传送规则 起始信号：在 I2C 总线工作过程中，当 SCL 为高电平时，SDA 由高电平向低电 平跳变，定义为起始信号，起始信号由主控机产生。如图 5-21 所示 图 5-21（开始信号） 停止信号：当 SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，定义为停止信号， 此信号也只能由主控机产生。 如图 5-22 所示。 图 5-22（停止信号） 应答信号：I2C 总线传送的每个字节为 8 位，受控的器件在接收到 8 位数据后， 在第 9 个脉冲必须输出低电平作为应答信号，同时，要求主控器在第 9 个时钟脉冲位 上释放 SDA 线，以便受控器发出应答信号，将 SDA 拉低， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示接收数据的应答（如 图 5-23 所示）。若果在第 9 个脉冲收到受控器的非应答信号（如图 5-24 所示），则 表示停止数据的发送或接收。 http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 图 5-23（应答信号） 5-24（非应答信号） 其次，每启动一次总线，传输的字节数没有限制。主控件和受控器件都可以工作于接 收和发送状态。 总线必须由主器件控制，也就是说必须由主控器产生时钟信号﹑ 起 始信号﹑停止信号。在时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保特稳定，数据 线上的数据状态仅在时钟为低电平的期间才能改变（如图 5-25），而当时钟线为高电 平的期间，数据线状态的改变被用来表示起始和停止条件（如图 5-21 与 5-22 所示）。 图 5-25（数据的有效性） 图 5-26 为总线的完整时序，在这里有一点要加以说明的，当主控器接收数据时， 在最后一个数据字节，必须发送一个非应答信号，使受控器释放数据线，以便主控器 产生一个停止信号来终止总线的数据传送。 http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 图 5-26（总线的完整时序） 下面我们来看一下关于 I2C 总线的读操作与写操作： 图 5-27（总线写格式） 写操作就是主控器件向受控器件发送数据，如图 5-27 所示。首先，主控器会对 总线发送起始信号，紧跟应该是第一个字节的 8 位数据，但是从地址只有 7 位，所谓 从地址就是受控器的地址，而第 8 位是受控器约定的数据方向位，“0”为写，从图 5-26 中我们可以清楚地看到发送完一个 8 位数之后应该是一个受控器的应答信号。 应答信号过后就是第二个字节的 8 位数据，这个数多般是受控器件的寄存器地址，寄 存器地址过后就是要发送的数据，当数据发送完后就是一个应答信号，每启动一次总 线，传输的字节数没有限制，一个字节地址或数据过后的第 9 个脉冲是受控器件应答 信号，当数据传送完之后由主控器发出停止信号来停止总线。 图 5-28（总线读格式） http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 图 5-29 为其功能 引脚的排列，而 5-30 为引脚的功能列表。 读操作指受控器件向主控器件发送数，其总线的操作格式如图 5-28。首先，由主控器 发出起始信号，前两个传送的字节与写操作相同，但是到了第二个字节之后，就要从 新启动总线，改变传送数据的方向，前面两个字节数据方向为写，即“0”；第二次 启动总线后数据方向为读，即“1”；之后就是要接收的数据。从图 5-28 的写格式中 我们可以看到有两种的应答信号。一种是受控器的，另一种是主控器的。前面三个字 节的数据方向均指向受控器件，所以应答信号就由受控器发后出。但是后面要接收的 N 个数据则是指向主控器件，所以应答信号应由主控器件发出，当 N 个数据接收完成 之后，主控器件应发出一个非应答信号，告知受控器件数据接收完成，不用再发送。 最后的停止信号同样也是由主控器发出。 四﹑支持 I2C 总线的器件 在当今市面上有部分的单片机是内置硬件 I2C 总线的，用户只需要设置好内部相 关的寄存器就可以灵活地运用它。但是如果不内置硬件 I2C，我们在使用过程中可以 用普通的 I/O 端口进行模拟。如实验板的 STC89C52 芯片，如果要用到 I2C 协议就 必需要用到软件模拟。 而在非单片机类的芯片当中，如时钟芯片 PCF8563，存储器 24Cxx 系列等都是 使用 I2C 协议进行数据的操作，而我们实验板用的则是 24C02。下面我们先来介绍一 下 24C02 的引脚功能和内部结构，然后再介绍如何利用单片机模拟 I2C 协议与 24C02 进行数据的传送。 五﹑I2C 器件 24C02 24C02 是一个 2K 串行 CMOS E2PROM，内部含有 256 个 8 位字节，该器件通过 I2C 总线接口进行操 作。 图 5-29（24Cxx 引脚排列） 管脚名称 功能 A0﹑ A1 ﹑ A2 这三个引脚用于多个器件同时使用时设置区分器件地址，当这些引 脚悬空时默认为 0。在同一总线中最多可同时使用 8 个 24C02 器件。 如果总线只 有一个 24C02 器件被寻址，这三个地址可悬或接地。 http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 SDA 双向串行数据/地址管脚，用于器件所有数据的发送或接收，SDA 是 一个 开漏输出管脚。 SCL 串行时钟。串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的 时钟， 这是一个输入管脚 WP 写保护引脚。当 WP 引脚连接到 VCC 时芯片里面的内容为只读内容 而不能进行写操作。而当 WP 引脚连接到 VSS 时芯片里面的内容可 进行正常 的读/写操作。 VCC +1.8V~6.0V 工作电压 VSS 地 图 5-30（24Cxx 引脚功能） 六﹑24C02 的从地址 图 5-31（24C02 从器件地址） 图 5-32（实验电路） http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 从图 5-31 中我们可以看到从地址的高 4 位是固定的，而低 4 位是可根据 A0﹑ A1 ﹑ A2 引脚的接法与数据的方向位来确定的，其中 R/W 为“0”时表示写，为“1”时表 示读。而图 5-32 为实验板电路，A0﹑ A1 ﹑A2 均接地，即为 0﹑0﹑0。所以在实 验板中 24C02 器件的写从地址为 1010 0000（转为十六进制数为 0xa0），读从地址 为 1010 0001（转为十六进制数为 0xa1）。 动手实验（8）： 实验目的：利用 I2C 总线协议，试验 24C02 断电数据保存的特性。 实验内容：下面有两个程序，其中程序一为把 0x55,0xaa 这两个数写进 24C02 器件 中；然后把实验板断电一会儿后再利用程序二把 24C02 的数据读出来， 同时发送到串口调试器中，试看数据在断电期间是否得到保存。 程序一：（附光盘的 i2c_W 文件夹中） #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define Write 0xa0//写操作 #define Read 0xa1//读操作 sbit SCL=P2^6;//时钟引脚 sbit SDA=P2^5;//数据引脚 sbit led=P1^0; void delay_ms(unsigned int time)//延时 1 毫秒程序，n 是形式参数 { unsigned int i,j; for(i=time;i>0;i--)//i 不断减 1，一直到 i>0 条件不成立为止 for(j=112;j>0;j--)//j 不断减 1，一直到 j>0 条件不成立为止 {;} } void lay(void)//延时函数,约延时 10us { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 } void Start_Cond(void)//启动总线 { SCL=0; lay(); SCL=1;//发送起始条件时钟信号 lay(); SDA=1;//发送起始条件数据信号 lay();//起始条件信号大于 4.7us SDA=0; lay(); SCL=0;//锁住总线，准备发送数据 } void Stop_Cond(void)//停止总线 { SDA=0;//发送结束条件数据信号 SCL=0; lay(); SCL=1;//发送结束条件时钟信号 lay();//停止条件信号大于 4.7us SDA=1; lay(); SDA=0; } void Ack(void)//应答信号 { SCL=0;//准备发送应答信号 SDA=0; lay(); SCL=1;//时钟信号保持高电平为大于 4.7us lay(); SCL=0;//时钟线置低电平 lay(); SDA=1;//结束应答信号 } http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 void NoAck(void)//非应答信号 { SDA=0;//准备发送非应答信号 SCL=0; lay(); SDA=1;//时钟线与数据线为高电平，则为非应答信号 SCL=1; lay();//保持高电平为大于 4.0us SCL=0;//结束非应答信号 lay(); SDA=0; } void Write8Bit(uchar Word)//向总线写入 word 变量的 8 位数据 { uchar i,temp; temp=Word; for(i=0;i<8;i++) { SCL=0;//当 SCL 为低电平时允许数据改变 temp<<=1;//移位 SDA=CY;//把移出的数据发送到总线上 SCL=1;//当时钟线为 1 时，数据必顺保持稳定 } SCL=0;//每发送 8 位数据要跟随一个时钟信号，等待从机作出应答 lay(); SCL=1; } uchar Read8Bit(void) { uchar i,Result; Result=0; for(i=0;i<8;i++) { SCL=0;//时钟为低电平，准备接收数据 lay();//时钟低电平大于 4.7us http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 SCL=1;//当时钟线为高电平时，数据线上的数据有效 Result=(Result<<1)|SDA;//从数据线读取数据 } return Result;//返回从总线上读取到的数据 } /************************************************ Read_Flash 函数，Array 为接收到数据所存放的地址，nAdd 为要发 送的器件子地址，nLen 为所读取数据的长度 *************************************************/ void Read_Flash(uchar *Array,uchar nAdd,uchar nLen)//从总线读取多个字节函数 { Start_Cond();//启动总线 Write8Bit(Write);//发送器件地址 Write8Bit(nAdd);//发送器件子地址 Start_Cond();//从新启动总线 Write8Bit(Read);//读器件地址 while(--nLen) { *Array=Read8Bit();//读 8 位数据 Array++;//Array 指向下一个要存放数据的地址 Ack();//每接收到 8 位数据，跟随一个应答信号 } *Array=Read8Bit();//最后再读多 8 位 NoAck();//发送非应答信号，停止读取数据 Stop_Cond();//停止总线 } /************************************************ Write_Flash 函数，Array 为要发送数据的地址，nAdd 为要发 送的器件子地址，nLen 为所发送数据的长度 *************************************************/ void Write_Flash(uchar *Array,uchar nAdd,uchar nLen)//发送多个字节到总线函数 { http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 uchar i; Start_Cond();//启动总线 Write8Bit(Write);//发送器件地址 Write8Bit(nAdd);////发送器件子地址 for(i=0;i #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define Write 0xa0//写操作 #define Read 0xa1//读操作 sbit SCL=P2^6;//时钟引脚 sbit SDA=P2^5;//数据引脚 sbit led=P1^0; void delay_ms(unsigned int time)//延时 1 毫秒程序，n 是形式参数 http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 { unsigned int i,j; for(i=time;i>0;i--)//i 不断减 1，一直到 i>0 条件不成立为止 for(j=112;j>0;j--)//j 不断减 1，一直到 j>0 条件不成立为止 {;} } void lay(void)//延时函数,约延时 10us { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } void Start_Cond(void)//启动总线 { SCL=0; lay(); SCL=1;//发送起始条件时钟信号 lay(); SDA=1;//发送起始条件数据信号 lay();//起始条件信号大于 4。7us SDA=0; lay(); SCL=0;//锁住总线，准备发送数据 } void Stop_Cond(void)//停止总线 { SDA=0;//发送结束条件数据信号 SCL=0; lay(); SCL=1;//发送结束条件时钟信号 lay();//停止条件信号大于 4。7us SDA=1; lay(); http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 SDA=0; } void Ack(void)//应答信号 { SCL=0;//准备发送应答信号 SDA=0; lay(); SCL=1;//时钟信号保持高电平为大于 4。7us lay(); SCL=0;//时钟线置低电平 lay(); SDA=1;//结束应答信号 } void NoAck(void)//非应答信号 { SDA=0;//准备发送非应答信号 SCL=0; lay(); SDA=1;//时钟线与数据线为高电平，则为非应答信号 SCL=1; lay();//保持高电平为大于 4。0us SCL=0;//结束非应答信号 lay(); SDA=0; } void Write8Bit(uchar Word)//向总线写入 word 变量的 8 位数据 { uchar i,temp; temp=Word; for(i=0;i<8;i++) { SCL=0;//当 SCL 为低电平时允许数据改变 temp<<=1;//移位 SDA=CY;//把移出的数据发送到总线上 SCL=1;//当时钟线为 1 时，数据必顺保持稳定 http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 } SCL=0;//每发送 8 位数据要跟随一个时钟信号，等待从机作出应答 lay(); SCL=1; } uchar Read8Bit(void) { uchar i,Result; Result=0; for(i=0;i<8;i++) { SCL=0;//时钟为低电平，准备接收数据 lay();//时钟低电平的同大于 4。7us SCL=1;//当时钟线为高电平时，数据线上的数据有效 Result=(Result<<1)|SDA;//从数据线读取数据 } return Result;//返回从总线上读取的数据 } /************************************************ Read_Flash 函数，Array 为接收到数据所存放的地址，nAdd 为要发 送的器件子地址，nLen 为所读取数据的长度 *************************************************/ void Read_Flash(uchar *Array,uchar nAdd,uchar nLen)//从总线读取多个字节函数 { Start_Cond();//启动总线 Write8Bit(Write);//发送器件地址 Write8Bit(nAdd);//发送器件子地址 Start_Cond();//从新启动总线 Write8Bit(Read);//读器件地址 while(--nLen) { *Array=Read8Bit();//读 8 位数据 Array++;//Array 指向下一个要存放数据的地址 Ack();//每接收到 8 位数据，跟随一个应答信号 } http://www.sshmcu.com http://shop58796262.taobao.com/ 本教程为盛世电子科技原创，任何人不得抄袭其内容或用于商业用途，违者追究其法律责任。 *Array=Read8Bit();//最后再读多 8 位 NoAck();//发送非应答信号，停止读取数据 Stop_Cond();//停止总线 } /************************************************ Write_Flash 函数，Array 为要发送数据的地址，nAdd 为要发 送的器件子地址，nLen 为所发送数据的长度 *************************************************/ void Write_Flash(uchar *Array,uchar nAdd,uchar nLen)//发送多个字节到总线函数 { uchar i; Start_Cond();//启动总线 Write8Bit(Write);//发送器件地址 Write8Bit(nAdd);////发送器件子地址 for(i=0;i