I2C總線協(xié)議及其應用(圖)
出處：gong326 發(fā)布于：2007-04-16 21:55:46
I2C總線協(xié)議及其應用
---- ----一、I2C總線介紹：
---- 由于大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，在單個芯片集成CPU以及組成一個單獨工作系統(tǒng)所必須的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外圍電路和已經(jīng)實現(xiàn)，這就是常說的單片機或微控制器。目前，世界上許多公司生產(chǎn)單片機，品種很多：包括各種字長的CPU，各種容量和品種的ROM、RAM，以及功能各異的I/O等等。但是，單片機品種規(guī)格有限，所以只能選用某種單片機再進行擴展。擴展的方法有兩種：一種是并行總線，另一種是串行總線。由于串行總線連線少，結(jié)構(gòu)簡單，往往不用專用的母板和插座而直接用導線連接各個設備即可。因此，采用串行總線大大簡化了系統(tǒng)硬件設計。PHILIPS公司早在十幾年就前推出了I2C串行總線，它是具備多主機系統(tǒng)所需的包括裁決和高低速設備同步等功能的高性能串行總線。
---- 1. I2C總線硬件結(jié)構(gòu)和術語
---- I2C串行總線有兩根信號線：一根雙向的數(shù)據(jù)線SDA；另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線上的設備的串行數(shù)據(jù)都接到總線的SDA線，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL。典型的I2C總線結(jié)構(gòu)如。
：PC總線結(jié)構(gòu) ---- 為了避免總線信號的混亂，要求各設備連接到總線的輸出端必須是開漏輸出或集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)。設備與總線的接口電路如所示。設備上的串行數(shù)據(jù)線SDA接口電路應該是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。串行時鐘線也應是雙向的，作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機要通過SCL輸出電路發(fā)送時鐘信號，同時要檢測總線上SCL上的電平以決定什么時候發(fā)下一個時鐘脈沖電平；作為接受主機命令的從機，要按總線上的SCL的信號發(fā)出或接收SDA上的信號，也可以向SCL線發(fā)出低電平信號以延長總線時鐘信號周期。總線空閑時，因各設備都是開漏輸出，上拉電阻RP使ADA和SCL線都保持高電平。任一設備輸出的低電平都使相應的總線信號線變低，也就是說各設備的SDA是“與”關系，SCL也是“與”關系。
:設備和PC總線接口電路 ---- 總線對設備接口電路的制造工藝和電平都沒有特殊的要求（NMOS、CMOS都可以兼容）。數(shù)據(jù)傳送率按I2C總線可高達每秒十萬位，高速方式可高達每秒四十萬位。總線上允許連接的設備數(shù)以總線上的電容量不超過400pF為限。
---- 總線的運行（數(shù)據(jù)傳輸）由主機控制。所謂主機即啟動數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟動信號），發(fā)出時鐘信號，傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設備，通常主機是微處理器。被主機尋訪的設備都稱為從機。為了進行通訊，每個接到I2C總線的設備都有一個的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到從機，也可以是從機發(fā)到主機。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設備稱為發(fā)送器，從總線上接收數(shù)據(jù)的設備被稱為接受器。
---- I2C總線上允許連接多個微處理器及各種外圍設備，如存儲器、LED及LCD驅(qū)動器、A/D及D/A轉(zhuǎn)換器等。為了保證數(shù)據(jù)可靠地傳送，任一時刻總線只能有由某一臺主機控制一個微處理器應該在總線空閑時發(fā)啟動數(shù)據(jù)，為了妥善解決多臺微處理器同時發(fā)啟數(shù)據(jù)傳送（總線控制權(quán)）的沖突，并決定由哪一臺微處理器控制總線。I2C總線允許連接不同傳送速率的設備，多臺設備之間時鐘信號的同步過程稱為同步化。
----2. I2C數(shù)據(jù)傳輸
---- 在I2C總線傳輸過程中，將兩種特定的情況定義為開始和停止條件（如）：當SCL保持“高”，SDA由“高”變?yōu)椤暗汀睍r為開始條件；SCL保持“高”，SDA由“低”變?yōu)椤案摺笔菫橥Ｖ箺l件。開始和停止條件由主控器產(chǎn)生。使用硬件接口可以很容易地檢測開始和停止條件，沒有這種接口的微機必須以每時鐘周期至少兩次對SDA取樣以使檢測這種變化。
:總線開始/停止 ---- SDA線上的數(shù)據(jù)在時鐘“高”期間必須是穩(wěn)定的，只有當SCL線上的時鐘信號為低時，數(shù)據(jù)線上的“高”或“低”狀態(tài)才可以改變。輸出到SDA線上的每個字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，每個字節(jié)必須有一個應答為ACK。如果一接收器件在完成其他功能（如一內(nèi)部中斷）前不能接收另一數(shù)據(jù)的完整字節(jié)時，它可以保持時鐘線SCL為低，以促使發(fā)送器進入等待狀態(tài)，當接收器械準備好接受數(shù)據(jù)的其它字節(jié)并釋放時鐘SCL后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進行。I2C數(shù)據(jù)總線傳送時序如。
:總線數(shù)據(jù)傳送順序 ---- 數(shù)據(jù)傳送具有應答是必須的。與應答對應的時鐘脈沖由主控器產(chǎn)生，發(fā)送器在應答期間必須下拉SDA線。當尋址的被控器件不能應答時，數(shù)據(jù)保持為高，接著主控器產(chǎn)生停止條件終止傳輸。在傳輸?shù)倪^程中，當用到主控接收器的情況下，主控接收器必須發(fā)出一數(shù)據(jù)結(jié)束信號給被控發(fā)送器，被控發(fā)送器必須釋放數(shù)據(jù)線，以允許主控器產(chǎn)生停止條件。合法的數(shù)據(jù)傳輸格式如下：
---- I2C總線在開始條件后的首字節(jié)決定哪個被控器將被主控器選擇，例外的是“通用訪問”地址，它可以尋址所有期間。當主控器輸出一地址時，系統(tǒng)中的每一器件都將開始條件后的前七位地址和自己地址比較。如果相同，該器件認為自己被主控器尋址，而作為被控接收器或被控發(fā)送器則取決于R/W位。
---- 二、I2C總線的應用
---- I2C總線是各種總線中使用信號線少，并具有自動尋址，多主機時鐘同步和仲裁等功能很強的總線。因此，使用I2C設計計算機系統(tǒng)十分方便、靈活、體積也小，在各類實際應用中得到廣泛應用。下面舉兩個應用示例。
----1. 伺服控制系統(tǒng)用I2C擴展LCD顯示
---- 是一個伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。用8XC752單片機的PWM輸出經(jīng)放大后驅(qū)動電機，電機的轉(zhuǎn)速有測速機測取并直接送到8XC752片內(nèi)A/D電路。處理后的有關信息經(jīng)I2C總線送到LCD驅(qū)動芯片PCF8577以驅(qū)動六十四段LCD顯示板。
:伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 ----2. 通用I/O端口作為I2C總線接口
---- 目前，51、96系列的單片機應用很廣，但是它們都沒有I2C總線接口，限制了在這些系統(tǒng)中使用具有I2C總線接口的器件。但通過對I2C總線時序的分析知道可以用51單片機的兩根I/O線來實現(xiàn)I2C總線的功能。I2C總線規(guī)定SCL線和SDA線是各設備對應輸出狀態(tài)相“與”的結(jié)果，任一設備都可以用輸出低電平的方法延長SCL低電平時間，迫使高速設備進入等待狀態(tài)，實現(xiàn)不同速度設備間的時鐘同步。因此，即使時鐘脈沖的高、低電平時間長短不一，也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳送，可以用軟件控制I/O口做I2C接口。下面就是用GMS97C2051DE的通用I/O口作為I2C總線接口由軟件控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的例子，為其連線圖。
:GMS97C2051 擴展EEPROM接線圖
華中理工大學電信系（430074） 容太平
超始位
被控接收器地址
R/W
應答位
數(shù)據(jù)
應答位
、、、、
停止位
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