大学计算机课件第16章 C51模拟I2C总线

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1、第16章 C51模拟I2C总线I2C总线是Philips公司最先推出的一种双向数据传输总线， 其仅使用两根连线便可以实现全双工同步数据传送。在I2C 总线中，一条为串行数据线（SDA），另一条为一条串行时 钟线（SCL）。I2C总线占用引脚少，接口协议简单。目前多 数公司均推出了I2C总线接口的各种器件，如存储器、A/D、 D/A、键盘、LCD等，大大方便了用户的选择。 本章主要介绍了I2C总线的工作原理、寻址方式以及数据操 作，并重点介绍了数据传输协议以及相应的C51子函数。最 后通过具体的实例，介绍如何使用在没有I2C总线接口的单 片机上读写具有I2C总线接口的E2PROM存储器。16.1

2、 I2C总线概述 I2C总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构 成。I2C总线对数据通信进行了严格的定义。16.1.1 I2C总线工作原理 典型的I2C总线系统结构，如图所示。I2C总线上 可以挂接多个器件，其中每个器件必须都支持I2C 总线通信协议。典型的I2C总线 系统结 构 16.1.2 I2C总线器件的寻址方式 由于所有器件都通过SCL和SDA连接在I2C总线上， 因此，主器件在进行数据传输前需要通过寻址， 选择需要通信的从器件。I2C总线上所有外围器件 都需要有唯一的7位地址，由器件地址和引脚地址 两部分组成。 器件地址是I2C器件固有的地址编码，器件出厂时 就已经给定，不可

3、更改。 引脚地址是由I2C总线外围器件的地址引脚（A2， A1，A0）决定，根据其在电路中接电源正极、接 地或悬空的不同，形成不同的地址代码。16.1.3 I2C总线数据操作 在I2C总线上，数据是伴随着时钟脉冲，一位一位 地传送的，数据位由低到高传送，每位数据占一 个时钟脉冲。I2C总线上的在时钟线SCL高电平期 间，数据线SDA的状态就表示要传送的数据，高电 平为数据1，低电平为数据0。在数据传送时，SDA 上数据的改变在时钟线为低电平时完成，而SCL为 高电平时，SDA必须保持稳定，否则SDA上的变化 会被当作起始或终止信号而致使数据传输停止。 1写数据格式 2读数据格式16.2 I2C

4、总线接口EEPROM存储器目前，市场上I2C总线接口器件有多种，例如A/D转换器、D/A转换 器、时钟芯片和存储器等。这里以典型的I2C总线接口的存储器为 例进行介绍。 I2C总线接口EEPROM存储器是一种采用I2C总线接口的串行总线存储 器，这类存储器具有体积小、引脚少、功耗低、工作电压范围宽 等特点。目前，Atmel、MicroChip、National等公司均提供各种 型号的I2C总线接口的串行EEPROM存储器。在单片机系统中使用较 多的EEPROM存储器是24系列串行EEPROM。其具有型号多、容量大 、支持I2C总线协议、占用单片机I/O端口少，芯片扩展方便、读 写简单等优点。A

5、T24C08的引脚结构 16.3 C51模拟 I2C总线协议 在实际应用中，往往遇到所使用的单片机没有I2C 总线接口，例如典型的 51系列单片机。为了让此 类单片机用于操作I2C总线器件的能力，往往需要 在程序模拟I2C总线数据传输协议。 这里以典型的51系列单片机为例，假设其外接 6MHz的晶振，采用P1.0作为时钟线SCL，P1.1作为 数据线SDA。在C51语言的程序中，首先需要声明 SCL和SDA所使用的引脚。其声明如下所示： sbit SCL=P10; sbit SDA=P11;16.3.1 延时子函数这里给出一个典型的延时子函数。当单片机的工作频率比较高的 时候，为了保证I2C总

6、线的传输速率满足100kHz或者400kHz的限制 ，可以进行适当的延时处理。用户可以根据需要使用。延时子函 数的程序示例如下： void Delays(unsigned int number)/延 时子程序 unsigned char temp; for(;number!=0;number-)/循环 for(temp=0;temp100;temp+)/空循环 16.3.2 起始信号子函数起始信号子函数用于开始I2C总线通信。其中，起始信号是在时钟线SCL为高电平期间 ，数据线SDA上高电平向低电平变化的下降沿信号。起始信号出现以后，才可以进行 后续的I2C总线寻址或数据传输等。起始信号的时序

7、，如图所示。在程序中，可以直 接为SDA和SCL赋值来实现起始信号的时序。起始信号子函数示例如下： void StartI2C() /起始信号子程序 SDA=1; Delays(1); /延时，用于满足传输速率要求 SCL=1; Delays(1); SDA=0; Delays(1); SCL=0; Delays(1); 起始信号时序 16.3.3 终止信号子函数 终止信号子函数用于终止I2C总线通信。其中，终 止信号是在时钟线SCL为高电平期间，数据线SDA 上低电平到高电平变化的上升沿信号。终止信号 一出现，所有I2C总线操作都结束，并释放总线控 制权。终止信号的时序，如图所示。在程序中，

8、 可以直接为SDA和SCL赋值来实现终止信号的时序 。终止信号子函数示例如下：终止信号时序 16.3.4 应答信号子函数应答信号子函数用于表明I2C总线数据传输的结束。I2C总线数据传送时， 一个字节数据传送完毕后都必须由主器件产生应答信号。主器件在第9个 时钟位上释放数据总线SDA，使其处于高电平状态，此时从器件输出低电 平拉低数据总线SDA为应答信号。应答信号的时序，如图所示。在程序中 ，可以直接为SDA和SCL赋值来实现应答信号的时序。应答信号子函数示例 如下： void AckI2C() /发送应答位子程序 SDA=0; Delays(1); SCL=1; Delays(1); SCL

9、=0; Delays(1); SDA=1; Delays(1); 应答信号时序 16.3.5 非应答信号子函数 非应答信号子函数用于数据传输出现异常而无法 完成时。在一个字节数据传送完毕后，在第9个时 钟位上从器件输出高电平为非应答信号。非应答 信号的产生有两种情况。 当从器件正在进行其他处理而无法接收总线上的 数据时，从器件不产生应答，此时从器件释放总 线，将数据线SDA置为高电平。这样，主器件可产 生一个停止信号来终止总线数据传输。 当主器件接收来自从器件的数据时，接收到最后 一个数据字节后，必须给从器件发送一个非应答 信号，使从器件释放数据总线。这样，主器件才 可以发送停止信号，从而终止

10、数据传送。16.3.6 应答位检查子函数应答位检查子函数用于主器件检测接收的是否为正常的应答信号，以便于 判断数据接收是否正常。程序中定义了ErrorBit作为应答检查位，用于数 据线SDA上的应答位检查结果，最后通过return语句返回该值。应答位检 查子函数示例如下： bit TestAckI2C() /应答位检查子程序 bit ErrorBit; SDA=1; Delays(1); SCL=1; Delays(1); ErrorBit=SDA; /读入SDA上的应答状态 Delays(1); SCL=0; Delays(1); return(ErrorBit); /返回应答状态，0为应答

11、信号，1为非应答信号 16.3.7 单字节写子函数单字节写子函数用于向从器件写入单个字节的数据。程序中，可以通过for循环语句，逐位将数据 发送到I2C数据总线上。该函数在使用之前，必须先使用起始信号子函数启动I2C总线数据传输。单 字节写子函数的流程图，如图16.7所示。单字节写子函数示例如下： bit Write8BitI2C(unsigned char input)/ input为待发送的 数据 unsigned char temp; for(temp=8;temp!=0;temp-)/循环 移位，逐位发送数据 SDA=(bit)(input /取数据的最高位 Delays(1); SC

12、L=1; Delays(1); SCL=0; Delays(1); input=input1; /左移一位 return 1; 单字节写子函数流程图 16.3.8 单字节读子函数 单字节读子函数用于从I2C数据总线读入单个字节 的数据。程序中，可以通过for循环语句，逐位将 数据读入。该函数在使用之前，同样需要先使用 起始信号子函数启动I2C总线数据传输。单字节读 子函数的流程图，如图所示。单字节读子函数示 例如下：单字节写读函数流程图 16.3.9 多字节写子函数多字节写子函数用于主器件发送多个字节的数据。首先发送起始 位，接着是寻址字节，然后是数据的所要存入单元的首地址，外 围器件此时产生

13、正确的应答后，主器件便将开始多个字节的数据 传输。多字节写子函数的流程图，如图所示。多字节写子函数示 例如下：多字节写子函数流程图16.3.10 多字节读子函数 多字节读子函数用于主器件从SDA线上读取多个字 节的数据。在读多个字节的操作中，除了发送寻 址字节外，还要发送器件的子地址。因此，在读 多个字节操作前，要进行一个字节的写操作，然 后重新开始读操作，将从器件内的字节数据读出 。多字节写读函数的流程图，如图16.10所示。多 字节写读函数示例如下：多字节读 子函数流程图 16.4 C51读写EEPROM实例 I2C总线接口器件以体积小，占用引脚少，接口简 单，读写操作方便等优点而得到广泛

14、的应用。目 前Philips、Atmel、Maxim以及其他集成电路制造 商推出了很多基于I2C总线的单片机和外围器件， 如24系列E2PROM、串行实时时钟芯片DS1302、 USB2.0芯片CY7C68013A等。 这里以普通的51系列单片机为例，通过实例介绍 如何使用C51模拟I2C总线接口来读写I2C总线的 EEPROM存储器。16.4.1 电路设计 这里给出单片机AT89S51读写I2C总线接口的 AT24C08存储器的电路原理图图，该电路图中所使 用的元器件的参数及数量，如表所示。元器件列表元器件数值数量U1AT89S511个U2AT24C081个C1、C230pf2个C310f电

15、解1个S1按键开关1个R15k1个R22001个R310 k排阻1个R4、R52.2k2个LED发光二极管1个Y124MHz1个16.4.2 程序设计 这里采用C51语言在Keil Vison3集成开发环境 中编写程序。 本程序的功能是利用单片机的P1.0、P1.1作为I2C 串行总线的SCL、SDA接口，向AT24C08写入10个字 节的数据，然后再将写入的数据读出，并比较读 写的数据是否完全一致。如果数据的读写一致， 则点亮LED，表示写入正确；否则熄灭LED报警。16.4.3 仿真分析 为了加深对I2C串行总线协议的理解，可以在Keil Vison3集成开发环境中对整个程序进行仿真。 通过信号仿真，可以查看I2C总线中起始信号、终 止信号以及数据读写的时序。具体操作步骤如下 ：仿真波形图 16.5 小结 本章首先介绍了I2C串行总线的工作原理、寻址方 式以及总线数据的读写操作等，并对常用的I2C串 行总线接口的EEPROM存储器进行了介绍。接着， 本章详细介绍了I2C串行总线的协议，以及采用 C51语言模拟读写I2C串行总线的子函数。最后通 过一个具体的实例，讲解了51系列单片机读写I2C 总线外围器件的电路设计以及程序设计。I2C串行 总线具有接口简单、引脚少、体积小等优点，在 实际电路设计中经常使用。