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I2C 总线原理及应用实例
I
2
C(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。
I
2
C
总线产
生于在
80
年代,最初为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配
置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理。
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C
总线特点
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C
总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上,因此
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总线占用的空间非常小,减少了电路板的空间和芯片管脚的数量,降低了互联成本。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。
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总线的另一个优点是,它支持多主控
(multimastering)
,
其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然,在任何时间点上只能有一个主控。
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总线工作原理
2.1
总线的构成及信号类型
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总线是由数据线
SDA
和时钟
SCL
构成的串行总线,可发送和接收数据。在
CPU
与被控
IC
之间、
IC
与
IC
之间进行双向传送,最高传送速率
100kbps
。各种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都
有唯一的地址,在信息的传输过程中,
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总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器),又是发送器(或接收器),这取决于它
所要完成的功能。
CPU
发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地址码用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类;控制量决定该调整的类别(如对
比度、亮度等)及需要调整的量。这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不相关。
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总线在传送数据过程中共有三种类型信号,
它们分别是:开始信号、结束信号和应答信号。
开始信号:
SCL
为高电平时,
SDA
由高电平向低电平跳变,开始传送数据。
结束信号:
SCL
为低电平时,
SDA
由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
应答信号:接收数据的
IC
在接收到
8bit
数据后,向发送数据的
IC
发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。
CPU
向受控单元发出一个信号后,等待受控单
元发出一个应答信号,
CPU
接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。
目前有很多半导体集成电路上都集成了
I
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C
接口。带有
I
2
C
接口的单片机有:
CYGNAL
的
C8051F0XX
系列,
PHILIPSP87LPC7XX
系列,
MICROCHIP
的
PIC16C6XX
系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供
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C
接口。
3
总线基本操作
I
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规程运用主
/
从双向通讯。器件发送数据到总线上,则定义为发送器,器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。
总线必须由主器件(通常为微控制器)控制,主器件产生串行时钟(
SCL
)控制总线的传输方向,并产生起始和停止条件。
SDA
线上的数据状态仅在
SCL
为低电平的期间才能改变,
SCL
为高电平的期间,
SDA
状态的改变被用来表示起始和停止条件。参见图
1
。
图 1 串行总线上的数据传送顺序
3.1
控制字节
在起始条件之后,必须是器件的控制字节,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,最后一位为读写位,当为
1
时为读操作,为
0
时为写操作。如图
2
所示。
图 2 控制字节配置
3.2
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。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图
3
。
图 3 页面写
3.3
读操作
读操作有三种基本操作:当前地址读、随机读和顺序读。图
4
给出的是顺序读的时序图。应当注意的是:最后一个读操作的第
9
个时钟周期不是“不关心”。为了结
束读操作,主机必须在第
9
个周期间发出停止条件或者在第
9
个时钟周期内保持
SDA
为高电平、然后发出停止条件。
图 4 顺序读
4
实例:
X24C04
与
MCS-51
单片机软硬件的实现
X24C04
是
XICOR
公司的
CMOS
4096
位串行
EEPROM
,内部组织成
512×8
位。
16
字节页面写。与
MCS-51
单片机接口如图
5
所示。由于
SDA
是漏极开路输出,且可以与任何数目的漏极开路或集电极
开路输出“线或”(
wire-Ored
)连接。上拉电阻的选择可参考
X24C04
的数据手册。下面是通过
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接口对
X24C04
进行单字节写操作的例程。流程图及源程序如下:
图 5 X24C04 与 51 单片机接口
;名称:
BSENT
;描述:写字节
;功能:写一个字节
;调用程序:无
;输入参数:
A
;输出参数:无
BSEND:
MOV R2,#08H
;
1
字节
8
位
SENDA:
CLR P3.2
;
RLC
A
;左移一位
MOV
P3.3,C
;写一位
SETB
P3.2
DJNZ R2,SENDA
;写完
8
个字节?
CLR
P3.2
;应答信号
SETB
P3.3
SETB P3.2
RET
图 6 流程图
5
结束语
在
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2
C
总线的应用中应注意的事项总结为以下几点
:
1
)
严格按照时序图的要求进行操作,
2
)
若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接,可以不外加上拉电阻。
3
)
程序中为配合相应的传输速率,在对口线操作的指令后可用
NOP
指令加一定的延时。
4
)
为了减少意外的干扰信号将
EEPROM
内的数据改写可用外部写保护引脚(如果有),或者在
EEPROM
内部没有用的空间写入标志字,每次上电时或复位时做一次检测,判断
EEPROM
是否被意外改写。