I2C总线原理及应用实例
 
    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。I2C总线产生于在80年代,最初为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理。
  1  I2C总线特点
  I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上,因此I2C总线占用的空间非常小,减少了电路板的空间和芯片管脚的数量,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总线的另一个优点是,它支持多主控(multimastering), 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然,在任何时间点上只能有一个主控。
  2  I2C总线工作原理
  2.1 总线的构成及信号类型

  I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中,I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器),又是发送器(或接收器),这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地址码用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类;控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不相关。
  I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号, 它们分别是:开始信号、结束信号和应答信号。
  开始信号:SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据。
  结束信号:SCL为低电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
  应答信号:接收数据的IC在接收到8bit数据后,向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。
  目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有:CYGNAL的 C8051F0XX系列,PHILIPSP87LPC7XX系列,MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。
  3  总线基本操作
  I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上,则定义为发送器,器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件(通常为微控制器)控制,主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向,并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变,SCL为高电平的期间,SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。参见图1。
 

图1 串行总线上的数据传送顺序


  3.1 控制字节

  在起始条件之后,必须是器件的控制字节,其中高四位为器件类型识别符(不同的芯片类型有不同的定义,EEPROM一般应为1010),接着三位为片选,最后一位为读写位,当为1时为读操作,为0时为写操作。如图2所示。

图2 控制字节配置


  3.2 写操作

  写操作分为字节写和页面写两种操作,对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3。  

图3 页面写

3.3 读操作
  读操作有三种基本操作:当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是:最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作,主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。

图4 顺序读

  4  实例:X24C04与MCS-51单片机软硬件的实现
  X24C04是XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM,内部组织成512×8位。16字节页面写。与MCS-51单片机接口如图5所示。由于SDA是漏极开路输出,且可以与任何数目的漏极开路或集电极 开路输出“线或”(wire-Ored)连接。上拉电阻的选择可参考X24C04的数据手册。下面是通过I2C接口对X24C04进行单字节写操作的例程。流程图及源程序如下:  

图5 X24C04与51单片机接口

;名称:BSENT
;描述:写字节
;功能:写一个字节
;调用程序:无
;输入参数:A
;输出参数:无
BSEND: MOV R2,#08H ;1字节8位
SENDA: CLR P3.2    ;
RLC A              ;左移一位
MOV P3.3,C         ;写一位
SETB P3.2
DJNZ R2,SENDA      ;写完8个字节?
CLR P3.2           ;应答信号
SETB P3.3
SETB P3.2
RET

图6 流程图

  5  结束语
  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。
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