I2C总线协议及其应用

 

I²C总线协议及其应用

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华中理工大学电信系（430074） 况荣华
华中理工大学电信系（430074） 容太平

----一、I²C总线介绍：

---- 由于大规模集成电路技术的发展，在单个芯片集成CPU以及组成一个单独工作系统所必须的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外围电路和已经实现，这就是常说的单片机或微控制器。目前，世界上许多公司生产单片机，品种很多：包括各种字长的CPU，各种容量和品种的ROM、RAM，以及功能各异的I/O等等。但是，单片机品种规格有限，所以只能选用某种单片机再进行扩展。扩展的方法有两种：一种是并行总线，另一种是串行总线。由于串行总线连线少，结构简单，往往不用专用的母板和插座而直接用导线连接各个设备即可。因此，采用串行总线大大简化了系统硬件设计。PHILIPS公司早在十几年就前推出了I²C串行总线，它是具备多主机系统所需的包括裁决和高低速设备同步等功能的高性能串行总线。

---- 1. I²C总线硬件结构和术语

---- I²C串行总线有两根信号线：一根双向的数据线SDA；另一根是时钟线SCL。所有接到I²C总线上的设备的串行数据都接到总线的SDA线，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL。典型的I²C总线结构如图1。

图1：PC总线结构

---- 为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端必须是开漏输出或集电极开路输出的结构。设备与总线的接口电路如图2所示。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数据，输入电路用于接收总线上的数据。串行时钟线也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机要通过SCL输出电路发送时钟信号，同时要检测总线上SCL上的电平以决定什么时候发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的信号发出或接收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。总线空闲时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻RP使ADA和SCL线都保持高电平。任一设备输出的低电平都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。

图2:设备和PC总线接口电路

---- 总线对设备接口电路的制造工艺和电平都没有特殊的要求（NMOS、CMOS都可以兼容）。数据传送率按I²C总线可高达每秒十万位，高速方式可高达每秒四十万位。总线上允许连接的设备数以总线上的电容量不超过400pF为限。

---- 总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机即启动数据的传送（发出启动信号），发出时钟信号，传送结束时发出停止信号的设备，通常主机是微处理器。被主机寻访的设备都称为从机。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。主机和从机的数据传送，可以由主机发送数据到从机，也可以是从机发到主机。凡是发送数据到总线的设备称为发送器，从总线上接收数据的设备被称为接受器。

---- I²C总线上允许连接多个微处理器及各种外围设备，如存储器、LED及LCD驱动器、A/D及D/A转换器等。为了保证数据可靠地传送，任一时刻总线只能有由某一台主机控制一个微处理器应该在总线空闲时发启动数据，为了妥善解决多台微处理器同时发启数据传送（总线控制权）的冲突，并决定由哪一台微处理器控制总线。I²C总线允许连接不同传送速率的设备，多台设备之间时钟信号的同步过程称为同步化。

----2. I²C数据传输

---- 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（如图3）：当SCL保持“高”，SDA由“高”变为“低”时为开始条件；SCL保持“高”，SDA由“低”变为“高”是为停止条件。开始和停止条件由主控器产生。使用硬件接口可以很容易地检测开始和停止条件，没有这种接口的微机必须以每时钟周期至少两次对SDA取样以使检测这种变化。

图3:总线开始/停止

---- 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。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节不受限制，每个字节必须有一个应答为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，当接收器械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。I²C数据总线传送时序如图4。

图4:总线数据传送顺序

---- 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器产生，发送器在应答期间必须下拉SDA线。当寻址的被控器件不能应答时，数据保持为高，接着主控器产生停止条件终止传输。在传输的过程中，当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，被控发送器必须释放数据线，以允许主控器产生停止条件。合法的数据传输格式如下：

超始位

被控接收器地址

R/W

应答位

数据

应答位

、、、、

停止位

---- 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，它可以寻址所有期间。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七位地址和自己地址比较。如果相同，该器件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。

---- 二、I²C总线的应用

---- 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很强的总线。因此，使用I²C设计计算机系统十分方便、灵活、体积也小，在各类实际应用中得到广泛应用。下面举两个应用示例。

----1. 伺服控制系统用I²C扩展LCD显示

---- 图5是一个伺服系统的结构图。用8XC752单片机的PWM输出经放大后驱动电机，电机的转速有测速机测取并直接送到8XC752片内A/D电路。处理后的有关信息经I²C总线送到LCD驱动芯片PCF8577以驱动六十四段LCD显示板。

图5:伺服系统结构框图

----2. 通用I/O端口作为I²C总线接口

---- 目前，51、96系列的单片机应用很广，但是它们都没有I²C总线接口，限制了在这些系统中使用具有I²C总线接口的器件。但通过对I²C总线时序的分析知道可以用51单片机的两根I/O线来实现I²C总线的功能。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延长SCL低电平时间，迫使高速设备进入等待状态，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。下面就是用GMS97C2051DE的通用I/O口作为I²C总线接口由软件控制实现数据传送的例子，图6为其连线图。

图6:GMS97C2051 扩展EEPROM接线图