单片机与i2c总线技术文档

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1、IIC 总线即 I2C，一种总线结构。 IIC 是作为英特尔 IC 的互补，这种总线类型是由菲利浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要是用来 连接整体电路(ICS) ，IIC 是一种多向控制总线，也就是说多个芯片可以连接到同一总线结构下，同时每个 芯片都可以作为实施数据传输的控制源。这种方式简化了信号传输总线。例如：内存中的 SPD 信息,通过 IIC，与 BX 芯片组联系，IIC 存在于英特尔 PIIX4 结构体系中。 随着大规模集成电路技术的发展，把 CPU 和一个单独工作系统所必需的 ROM、RAM、I/O 端口、A/D、D/A 等外围电路集成在一个单片内而制成的单片机或微控制器愈来愈

2、方便。目前，世界上许多公司生产单片机， 品种很多。其中包括各种字长的 CPU，各种容量的 ROM、RAM 以及功能各异的 I/O 接口电路等等，但是，单片 机的品种规格仍然有限，所以只能选用某种单片机来进行扩展。扩展的方法有两种：一种是并行总线，另一 种是串行总线。由于串行总线的连线少，结构简单，往往不用专门的母板和插座而直接用导线连接各个设备。 因此，采用串行线可大大简化系统的硬件设计。PHILIPS 公司早在十几年前就推出了 I2C 串行总线，利用该 总线可实现多主机系统所需的裁决和高低速设备同步等功能。因此，这是一种高性能的串行总线。 1 I2C 总线的硬件结构 I2C 串行总线一般有两

3、根信号线，一根是双向的数据线 SDA，另一根是时钟线 SCL。所有接到 I2C 总线设备上 的串行数据 SDA 都接到总线的 SDA 上，各设备的时钟线 SCL 接到总线的 SCL 上。典型的 I2C 总线结构如图 1 所示。 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时必须是开漏输出或集电极开路输出。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送数 据，输入电路用于接收总线上的数据。而串行时钟线也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面 要通过 SCL 输出电路发送时钟信号，另一方面还要检测总线上的 SCL 电

4、平，以决定什么时候发送下一个时钟 脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线上的 SCL 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 SDA 和 SCL 线都保持高电平。任一设备输出的低电平都将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。 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）。在 I2C 总线上的数据 传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上。另外，总线上允许连接的设备数以其电容量不

5、超过 400pF 为限。 总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机是指启动数据的传送（发出启动信号）、发出时钟信号以及 传送结束时发出停止信号的设备，通常主机都是微处理器。被主机寻访的设备称为从机。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，也可以由从机发到主机。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以及各种外围设备，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，任一时刻总线只能由某一台主

6、机控制，各微处理器应该在总线空闲时发送启动数 据，为了妥善解决多台微处理器同时发送启动数据的传送（总线控制权）冲突，以及决定由哪一台微处理器 控制总线的问题，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（见图 3）：当 SCL 保持“高”时，SDA 由“高”变为“低”为开始条件；当 SCL 保持“高”且 SDA 由“低”变为“高”时为停止条件。开始和停止 条件均由主控制器产生。使用硬件接口可以很容易地检测到开始和停止条件，没有这种接口的微机必须以每 时钟周期至少两次对

7、SDA 取样，以检测这种变化。 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，但每个字节必 须要有一个应答 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 所示。 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制器产生，发送器在应答期间必

8、须下拉 SDA 线。 当寻址的被控器件不能应答时，数据保持为高并使主控器产生停止条件而终止传输。在传输的过程中，在用 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，从而使被控发送器释放数据线， 以允许主控器产生停止条件。合法的数据传输格式如下：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，它可以在所 有期间寻址。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 7 位地址和自己的地址进行比 较。如果相同，该器件即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。 3 I2C 总线的应用 I2C 总线是

9、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的总线。因此，使 用 I2C 总线设计计算机系统十分方便灵活，体积也小，因而在各类实际应用中得到广泛应用。下面举二个应 用示例。 3.1 伺服控制系统用 I2C 扩展 LCD 显示器 图 5 是一个伺服系统的结构图。它用 8XC752 单片机的 PWM 输出经放大后来驱动电机，电机的转速由测速机 测取并直接送到 8XC752 片内的 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 64 段 LCD 显示板。 3.2 通用 I/O 端口作为 I2C 总线接口 目前，51、96 系列的

10、单片机应用很广，但是由于它们都没有 I2C 总线接口，从而限制了在这些系统中使用具 有 I2C 总线接口的器件。通过对 I2C 总线时序的分析，可以用 51 单片机的两根 I/O 线来实现 I2C 总线的功 能。接 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 平的方法来延长 SCL 的低电平时间，以迫使高速设备进入等待状态，从而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 GMS97C2051 的通用 I/O 口来作为 I2C

11、 总线接口，并由软件控制实现数据传送的例子，图 6 为其连线图。 在单主控器的系统中，时钟线仅由主控器驱动，因此可以用 51 系列的一根 I/O 线作为 SCL 的信号线，将其 设备为输出方式，并由软件控制来产生串行时钟信号。在实际系统中使用了 P1.3。另一根 I/O 线 P1.2 作为 I2C 总线的串行数据线，可在软件控制下在时钟的低电平期间读取或输出数据。系统传输数据的过程如下： 先由单片机发出一个启始数据信号，接着送出要访问器件的 7 位地址数据，并等待被控器件的应答信号。当 收以应答信号后，根据访问要求进行相应的操作。如果是读入数据，则数据线可一直设为输入方式，中间不 需要改变 S

12、DA 线的工作方式，每读入一个字节均应依次检测应答信号；如果是输出数据，则首先将 SDA 设置 为输出方式，当发送完一个字节后，需要改变 SDA 线为输入方式，此时读入被控器件的应答信号就完成了一 个字节的传送。当所有数据传输完毕后，应向 SDA 发出一个停止信号，以结束该次数据传输。 下面给出 51 系列用汇编语言实现启始、停止、读、写、应答的程序，读者也可以根据 I2C 总线时序在 96 系 列或其它单片机上实现 I2C 总线接口。 a.启动位程序 ACK：CLR P1.3 NOP NOP SETB P1.2 NOP NOP NOP CPL P1.3 ；P1.3=1 NOP NOP NOP

13、 DENGDAI：JB P1.2，DENGDAI RET b.读数据程序 读字节可以在当前地址读（CURRENT READ），也可以随机读（RANDOM READ），读出数据的最后一个字节后不用加应答信号。 READ：PUSH 0EH CLR P1.4 LCALL BSTART ；START MOV A，#0A0H ；SEND THE CNOTROL BYTE LCALL SENDBYTE LCALL ACK MOV A，R1 ；SEND THE ADDRESS LCALL SENDBYTE LCALL ACK LCALL BSTART ；START MOV A，#0A1H ；SEND THE

14、 CNOTROL BYTE LCALL SENDBYTE LCALL ACK LCALL READBYTE LCALL BSTOP POP 0EH RET 送字节程序： SENDBYTE：PUSH 0EH PUSH 00H MOV R0,#08H LOOP1:CLR P1.3 NOP NOP RLC A MOV P1.2,C CPL P1.3 ;P1.3=1 NOP NOP DJNZ R0,LOOP1 POP 00H POP 0EH RET 读字节子程序： READBYTE：PUSH 0EH PUSH 00H MOV R0，#08H；READ THE CONTENT CLR A LOOP4：C

15、LR P1.3 NOP NOP NOP SETB P1.3 ；P1.3=1 MOV C,P1.2 RLC A DJNZ R0,LOOP4 MOV R2,A POP 00H POP 0EH RET c.写数据程序： WRITE：PUSH 0EH CLR P1.4 LCALL BSTART MOV A，#0A0H CLALL SENDBYTE ；SEND THE CONTROL BYTE LCALL ACK MOV A，R1 ；SEND THE ADDRESS LCALL SENDBYTE LCALL ACK MOV A，R2 ；WRITE THE CONTENT LCALL SENDBYTE L

16、CALL ACK LCALL BSTOP POP 0EH RET 连续写的两个字节之间最好是有 10ms 的延时。当然，也可以进行页写（PAGE WRITE），即一次性连续写 8 个字节，但采用页写方式时每个字节后要有一个应答信号。 d.停止位程序： BSTOP：CLR P1.3 NOP NOP CLR P1.2 NOP NOP NOP SETB P1.3 NOP NOP NOP SETB P1.2 RETIIC 总线的基本原理与应用实例2009-08-18 09:27 大家好，通过以前的学习，我们已经对 51 单片机综合学习系统的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了使用无线遥控模块的基本知识，体会到了综合学习系统的易用性与易学性，这一期我们将一起学习 IIC 总线的基本原理与应用实例。 先看一下我们将要使用的 51 单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，