IIC通信协议总结

IIC通信协议 一． 概述 IIC总线的优点：I2C总线是各种总线中使用信号线最少，并具有自动寻址、多主机时钟同步和仲裁等功能的总线。 二． 硬件结构 I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。 SDA数据线：设备上的串行数据线SDA接口电路应该是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。 SCL时钟线：而串行时钟线也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过SCL输出电路发送时钟信号；另一方面还要检测总线上的SCL电平，以决定什么时候发送下一个时钟脉冲电平，作为接受主机命令的从机，要按总线上的SCL信号发出或接收SDA上的信号，也可以向SCL线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。 空闲时候总线的状态：总线空闲时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻Rp使SDA和SCL线都保持高电平。任一设备输出的低电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的SDA是“与”关系，SCL也是“与”关系。 主机：总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机是指启动数据的传送（发出启动信号）、发出时钟信号以及传送结束时发出停止信号的设备，通常主机都是微处理器。 从机：被主机寻访的设备称为从机。为了进行通讯，每个接到I2C总线的设备都有一个唯一的地址，以便于主机寻访。 三：数据的传输 开始和停止条件的确定：在I2C总线传输过程中，将两种特定的情况定义为开始和停止条件（见图3）：当SCL保持“高”时，SDA由“高”变为“低”为开始条件；当SCL保持“高”且SDA由“低”变为“高”时为停止条件。开始和停止条件均由主控制器产生。使用硬件接口可以很容易地检测到开始和停止条件，没有这种接口的微机必须以每时钟周期至少两次对SDA取样，以检测这种变化。 传输注意事项： 1. SDA线上的数据在时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。 因此在IIC总线上胡数据传输过程中，数据信号线SDA的变化只能发生在SCL为低电平的期间内。从上图中可以清楚的看到这一点。 响应信号ACK宽度为1位，紧跟在8个数据位后面，所以发送1字节的数据需要9个SCL时钟脉冲。响应时钟脉冲也是由主机产生的，主机在响应时钟脉冲期间释放SDA线，使其处在高电平(见图16—3上面的信号)。而在响应时钟脉冲期间，接收方需要将SDA拉低，使SDA在响应时钟脉冲高电平期间保持稳定的低电平(见图16—3中间结束的信号)。 低电平用ACK表示，代表有应答；高电平用nACK表示，代表无应答。应答信号在I2C总线的数据传输过程中起着非常重要的作用，它将决定总线及连接在总线上设备下一步的状态和动作。一旦在应答信号上发生错误，例如接收方不按规定返回或返回不正确的应答信号，以及发送方对应答信号的误判，都将造成总线通信的失败。 2. 输出到SDA线上的每个字节必须是8位，高位在前，低位在后。每次传输的字节不受限制，但每个字节必须要有一个应答ACK。如果一接收器件在完成其他功能（如一内部中断）前不能接收另一数据的完整字节时，它可以保持时钟线SCL为低，以促使发送器进入等待状态；当接收器准备好接受数据的其它字节并释放时钟SCL后，数据传输继续进行。 3. 数据传送具有应答是必须的。与应答对应的时钟脉冲由主控制器产生，发送器在应答期间必须下拉SDA线。 4. 当寻址的被控器件不能应答时，数据保持为高并使主控器产生停止条件而终止传输。 5. 在传输的过程中，在用到主控接收器的情况下，主控接收器必须发出一数据结束信号给被控发送器，从而使被控发送器释放数据线，以允许主控器产生停止条件。 开始传输：I2C总线在开始条件后的首字节决定哪个被控器将被主控器选择，例外的是“通用访问”地址，它可以在所有期间寻址。当主控器输出一地址时，系统中的每一器件都将开始条件后的前7位地址和自己的地址进行比较。如果相同，该器件即认为自己被主控器寻址，而作为被控接收器或被控发送器则取决于R/W位。 四．例子（用GMS97C2051的通用I/O口来作为I2C总线接口，并由软件控制实现数据传送） 接I2C总线规定：SCL线和SDA线是各设备对应输出状态相“与”的结果，任一设备都可以用输出低电平的方法来延长SCL的低电平时间，以迫使高速设备进入等待状态，从而实现不同速度设备间的时钟同步。 因此，即使时钟脉冲的高、低电平时间长短不一，也能实现数据的可靠传送，可以用软件控制I/O口做I2C接口。 传输的整个过程： 前面已经介绍过I2C总线是支持多机通信的数据总线，每一个连接在总线上的从机设备或器件都有一个唯一独立的地址，以便于主机寻访。  I2C总线上的数据通信过程是由主机发起的，以主机控制总线，发出起始信号作为开始。在发送起始信号后，主机将发送一个用于选择从机设备的地址字节，以寻址总线中的某一个从机设备，通知其参与同主机之间的数据通信。地址字节的格式如下： 地址字节的高7位数据是主机呼叫的从机地址，第8位用于标示紧接下来的数据传输方向：“0”表示要从机准备接收主机下发数据(主机发送／从机接收)；而“l，，则表示主机向从机读取数据(主机接收／从机发送)。      当主机发出地址字节后，总线上所有的从机都将起始信号后的7位地址与自己的地址进行比较：如果相同，则该从机确认自己被主机寻址；而那些本机地址与主机下发的寻呼地址不匹配的从机，则继续保持在检测起始信号的状态，等待下一个起始信号的到来。  被主机寻址的从机，必须在第9个SCK时钟脉冲期间拉低SDA，给出ACK回应，以通知主机寻址成功。然后，从机将根据地址字节中第8他的指示，将自己转换成相应的角色(0—从机接收器；1—从机发送器)，参与接下来的数据传输过程。      图16—4所示为在I2C总线上一次数据传输的示例，它实现了简单的操作：主机向从机读取1字节。图中描述了整个数据传输的全部过程，给出了I2C总线上的时序变化，SDA上的数据情况、以及发送、接收双方相互转换与控制SDA的过程。 ＞主机控制SDA。在I2C总线上产生起始信号，同时控制SCL，发送时钟脉冲。在整个传输过程中，SCL都是由主机控制的。 ＞主机发送器发送地址字节。地址字节的第8位为“1”。表示准备向从机读取数据。  主机在字节发送完成后，放弃对5DA的控制，进入接收检测ACK的状态。 ＞所有从机在起始信号后为从机接收器，接收地址字节，与自己地址比对。  ＞被寻址的从机在第9个SCL时钟脉冲期间控制SDA．将其拉低，给出ACK应答。 ＞主机检测到从机的ACK应答后、转换成主机接收器。准备接收从机发出的数据。 ＞从机则根据第8位“1”的设定，在第2个字节的8个时钟脉冲期间作为从机发送器控制SDA。发送1字节的数据。发送完成后放弃对SDA的控制，进入接收检测ACK的状态。  ＞在第2个字节的8个传输时钟脉冲期间，主机接收器接收从机发出的数据。当接收到d0位后，主机控制SDA，将其拉低，给出ACK应答。  ＞从机接收检测主机的ACK应答c如果是ACK，则难备发送1个新的字节数据；如果是nACK，则转入检测下一个起始信号的状态。  ＞在这个示例中，主机收到l字节数据后，转成主机发送器控制SDA，在发出ACK应答信号后，马上发出停止信号，通知本次数据传输结束。  ＞从机检测到停止信号，转入检测下一个起始信号的状态。  以上介绍了I2C总线基本的特性、操作时序和通信规范，这些概念对了解、掌握、应用I2C总线尤为重要。这是因为I2C总线在硬件连接上非常简单，只要将所有器件和设备的SDA、SCL并在一起就可以了，但复杂的通信规范的实现，往往需要软件的控制。尽管AVR的TWI接口在硬件层面上实现了更多的I2C底层协议和数据传送与接收的功能，但对于什么时间发出起始信号、停止信号，如何返回应答信号，以及主／从机之间的发送／接收器的相互转换，还是需要程序员根据实际情况，编写相应的、正确的系统程序才能实现。 关于I2C总线更多的特性，例如多主机的总线竞争与仲裁等，本书将不做介绍，有兴趣的读者可以通过本书所附光盘中的参考资料《I2C总线规范》进一步地深入学习。 使用C语言在C51的环境下对IIC的编程范例 // IIC开始 void Start() { SDA=1;SCL=1;NOP4();SDA=0;NOP4();SCL=0; } // IIC 结束 void Stop() { SDA=0;SCL=0;NOP4();SCL=1;NOP4();SDA=1; } // IIC 读取应答 void RACK() { SDA=1;NOP4();SCL=1;NOP4();SCL=0; } // IIC 发送非应答 void NO_ACK() { SDA=1;SCL=1;NOP4();SCL=0;SDA=0; } // IIC 向从设备的指定地址写入数据 void Write_IIC(uchar addr,uchar dat) { Start(); Write_A_Byte(0xa0); Write_A_Byte(addr); Write_A_Byte(dat); Stop(); DelayMS(10); }