I2C总线原理与应用

电子工程师 2018-01-22 676

控制/MCU

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一.简介

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。由于其简单性，如今方泛用于微控制器与各种功能模块的连接，可以说是学单片机的人，入门之后，必定要涉及到的。

I2C 总线实际上已经成为一个国际标准在超过100 种不同的IC 上实现，而且得到超过50 家公司的许可，正因为其简单和应用广泛，因此其功能也越来不满足人们的要求，其速度也从原来的100Kbit/S，增加了快速模式，其速度达400Kbit/S，再后来也增加了高速模式，其速度更达3.4Mbit/S。

二.功能和特点

I2C总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多少器件，并且通个两根线连接，占用空间非常的小，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。它的另一优点是多主控，只要能够进行接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同一时间工作。

I2C总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线）。任何时候时钟信号都是由主控器件产生。

I2C总线在传送数据的过程中，主要有三种控制信号：起始信号，结不信号，应答信号

起始信号：当SCL为高电平时，SDA由高电平转为低电平时，开始传送数据

结束信号：当SCL为高电平时，SDA由低电平转为高电平时，结束数据传送

应答信号：接收数据的器件在接收到8bit数据后，向发送数据的器件发出低电平信号，表示已收到数据。这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。总之由接收数据的器件发出。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

三.基本操作

下面我们以ATMEL公司的AT24C02来介绍I2C的基本操作

AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8bit存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。他在系统中始终为从动器件。

对AT24C02的操作主要有：字节读，字节写，页面读，页面写

首先发送起始信号，如下图，起始信号后必须是控制字，

控制字格式如下，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，也就是三个地址位，最后一位为读写控制位，当为1(Input)时为读操作，为0(Output)时为写操作。

控制字后就是相应的操作，读或写，一定不要结束，因为这个操作还没有完成，如果结束就等于放弃操作。

先来看写操作，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,AT24C02为8字节，每写一个字节后，地址自动加1。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3，字节写可以看成是只有一个字节的页面写，也就是写一个数据后停止。注意：写一次需要一定时间，一般为10ms，要等侍这个操作完成。时序如下图：

说明：对于AT24C02，在控制字后还必须写入地址，这个地址是以后读写的起始地址。

读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。三种操作方法类似，只是读的数据个数不同，可连续读8个字节，图4给出的是顺序读的时序图,图中共读了四个数据，需要注意的是当前的地址，如果不是想要的，可以用写操作，重新写入地址。非常重要的是，每读一个数据后，必须置低SDA，作为应答，否则，只能读一个数据，后面的数据，因为收到不应答信号，AT24C02就会认为出错，停止操作。特别提醒的是，当SCL为低电平时，数据是可变的，因些只有SCL为高电平时，才能读数。（相关时序，请看例程序的，读功能函数）

四.例程序（51汇编，测试单片机为AT89C51，12M晶振）

电路连接如图5，其中A0，A1，A2为地址线，本例中全部接地，因此全部为0。由于SCL和SDA为漏极开路输出，所以在使用时，需加上拉电阻。

程序功是将数据66H写入AT24C02地址单元00，数据88H写01单元，再将00单元读出放入单片机的40H单元，01单元读出放入41H单元，再将其分别写入AT24C02的02和03地址单元，最后将00，02读出比较，01与03比较，如果相等，LED发光。以下是程序。可将本程序复制，编译后，烧录后测试。（程序看似复杂，其实很多功能是重复的）

SCL EQU P3.0 ;时钟 SDA EQU P3.1 ;数据 LED EQU P1.0 ;操作成功指示,低电平点亮 ORG 0X0000 LJMP MAIN ;启动功能函数，NOP用于满足AT24C02的速度要求START: CLR SCL ;先将SCL置低才改变SDA，以免误操作 NOP NOP SETB SDA NOP NOP SETB SCL NOP NOP CLR SDA NOP NOP RET ;结束功能函数STOP: CLR SCL ;先将SCL置低才改变SDA，以免误操作 NOP NOP CLR SDA NOP NOP SETB SCL NOP NOP SETB SDA NOP NOP RET ;应答函数ACK: CLR SCL ;先将SCL置低才改变SDA，以免误操作 NOP NOP CLR SDA ;发低电平应答 NOP NOP SETB SCL NOP NOP RET ;写一个字节 ;R2为要写的数据,R3为每字节的位数,这儿为8位 ;返回时C为应答信号,可以不理会这个值WRITE: MOV R3,#8 MOV A,R2WRLOOP: CLR SCL RLC A NOP MOV SDA,C NOP NOP SETB SCL NOP NOP DJNZ R3,WRLOOP CLR SCL ;以下处理AT24C02的应答信号 NOP NOP SETB SDA ;置高SDA，用作输入，如果AT24C02拉低，表示正确 NOP NOP SETB SCL NOP NOP MOV C,SDA ;读取应答信号 RET ;读一个字节 ;返回时R2为读得的数READ: MOV R3,#8RDLOOP: CLR SCL NOP NOP SETB SDA ;拉高SDA，用作输入 NOP NOP SETB SCL NOP NOP MOV C,SDA RLC A DJNZ R3,RDLOOP MOV R2,A RET ;延时,用以保证写操作完成，写地址信号不用延时DELAY: MOV 0X31,#20AA: MOV 0X32,#200 DJNZ 0X32,$ DJNZ 0X31,AA RET MAIN: ACALL START ;启动 MOV R2,#0XA0 ;将控制字“1010 0000”传到R2，最后一位表示写 ACALL WRITE ;调用写函数 MOV R2,#0X00 ;设置要写的地址 ACALL WRITE MOV R2,#0X66 ;写入第一个字节，66H,写入到00单元 ACALL WRITE MOV R2,#0X88 ;写入第一个字节，88H,写入到01单元 ACALL WRITE ACALL STOP ;停止操作 ACALL DELAY ;等待写完成 ACALL START ;启动 MOV R2,#0XA0 ;写控制字 ACALL WRITE MOV R2,#00 ;设置要读地址 ACALL WRITE ACALL START MOV R2,#0XA1 ;将控制字“1010 0001”传到R2，最后一位表示读 ACALL WRITE ;写入控制字 ACALL READ ;调用读命令 ACALL ACK ;应答 MOV 0X40,R2 ;将读得的数据传到40H ACALL READ ;读下一位，将读得的数据传到41H ACALL ACK MOV 0X41,R2 ACALL STOP ;停止读操作 ACALL START MOV R2,#0XA0 ;写控制字，表示以下这写操作 ACALL WRITE MOV R2,#0X02 ;设置地址 ACALL WRITE MOV R2,0X40 ;将上面读得的数写入到02单元 ACALL WRITE MOV R2,0X41 ;将上面读得的数写入到03单元 ACALL WRITE ACALL STOP ;停止操作 ACALL DELAY ;等待写完成 ACALL START ;启动 MOV R2,#0XA0 ;写入控制字，表示以下为写操作 ACALL WRITE MOV R2,#00 ;写入读的起始地址 ACALL WRITE ACALL START ;启动 MOV R2,#0XA1 ;写入控制字，表示以下为读操作 ACALL WRITE ACALL READ ACALL ACK MOV 0X40,R2 ;以下连续读出四个字节 ACALL READ ACALL ACK MOV 0X41,R2 ACALL READ ACALL ACK MOV 0X42,R2 ACALL READ ACALL ACK MOV 0X43,R2 ACALL STOP MOV A,0X42 ;以下为比较读出结果与写入是否相等 CJNE A,#0X66,ENDALL MOV A,0X43 CJNE A,#0X88,ENDALL CLR LEDENDALL: SJMP $ END

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