常用串口通信-3（I²C）

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常用串口通信-3（I²C）

认识I²C及其原理，再通过模拟I²C与E²PROM通信为例理解I²C的使用及编程

1. I²C串行总线的组成

1.1 背景

采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化系统的体积减小、可靠性提高。同时，系统的更改和扩充极为容易。常用的串行扩展总线有：

• I²C （Inter IC BUS）总线
• 单总线（1-WIRE BUS）、
• SPI（SerialPeripheral Interface）总线
• Microwire/PLUS等。

这里我们仅讨论I²C串行总线。

1.2 概述

1.3 特点

I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件,这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。在多主机系统中,可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱, I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以80C51单片机为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。

2. I2C总线的数据传送

2.1 数据位的有效性规定

2.2 起始和终止信号

连接到IPC总线上的器件，若具有IPC总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。

接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时,再释放SCL线使之为高电平,从而使数据传送可以继续进行。

2.3 数据传送格式

2.3.1 字节传送与应答

如果从机对主机进行了应答,但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时,从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后,从机释放SDA线,以允许主机产生终止信号。

2.3.2数据帧格式

I2C总线上传送的数据信号是广义的,既包括地址信号,又包括真正的数据信号。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位(R/T),用”0”表示主机发送数据(T) , “1”表示主机接收数据R 。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是,若主机希望继续占用总线进行新的数据传送,则可以不产生终止信号,马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

在总线的一次数据传送过程中,可以有以下几种组合方式：

• 1.主机向从机发送数据,数据传送方向在整个传送过程中不变：
  
  注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。
  0表示主机发送，如果为1代表主机读取从机数据
  A表示应答， A非表示非应答（高电平）；
  S表示起始信号；
  P表示终止信号。
  
  
  
  
  
  
• 2.主机在第一个字节后，立即从从机读数据
  
  
• 3.在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。
  
  

2.4 总线的寻址

主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。

3. 总线数据传送的模拟

主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，如80C51、AT89C2051等单片机，利用软件实现I2C总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。

3.1 典型信号模拟

3.2 典型信号模拟子程序

3.2.1 起始信号

Void I2CStart(void) { 
    SDA = 1; SomeNop( );//延时函数根据实际更改 SCL = 1; SomeNop( ); SDA = 0; SomeNop( ); } 

3.2.2 终止信号

void I2cStop(void) { 
    SDA = 0; SomeNop( ); SCL = 1; SomeNop( ); SDA = 1; SomeNop( ); } 

4.I2C总线器件的扩展

4.1 扩展电路

4.2 串行E²PROM的扩展 （※）

4.2.1 串行E2PROM典型产品

4.2.2 写入过程

• AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010，A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码。加起来形成的7位编码即为该器件的地址码。
  例如：地址码1010 000，加一位收发控制位0（或1，该位为0时主机发送，1是接收）所以得到地址码加收发控制位：oxa0
  
• 单片机进行写操作时，首先发送该器件的7位地址码和写方向位“0”（共8位，即一个字节），发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。被选中的存储器器件在确认是自己的地址后，在SDA线上产生一个应答信号作为相应，单片机收到应答后就可以传送数据了。
• 传送数据时，单片机首先发送一个字节的被写入器件的存储区的首地址，收到存储器器件的应答后，单片机就逐个发送各数据字节，但每发送一个字节后都要等待应答。
• AT24C系列器件片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1，在芯片的“一次装载字节数”（不同芯片字节数不同）限度内，只需输入首地址。装载字节数超过芯片的“一次装载字节数”时，数据地址将“上卷”，前面的数据将被覆盖。
• 当要写入的数据传送完后，单片机应发出终止信号以结束写入操作。写入n个字节的数据格式
  写入首地址指的是存储地址，非器件地址
  

4.2.3读出过程

• 单片机先发送该器件的7位地址码和写方向位“0”（“伪写”），发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。被选中的存储器器件在确认是自己的地址后，在SDA线上产生一个应答信号作为回应。
• 然后，再发一个字节的要读出器件的存储区的首地址，收到应答后，单片机要重复一次起始信号并发出器件地址和读方向位（“1”），收到器件应答后就可以读出数据字节，每读出一个字节，单片机都要回复应答信号。当最后一个字节数据读完后，单片机应返回以“非应答”（高电平），并发出终止信号以结束读出操作。
  
  

4.2.4 移位操作

• 左移时最低位补0，最高位移入PSW的CY位
• 右移时最高位保持原数，最低位移除。

5. AT24CXX存储器工作原理

5.1 特点

• 与400KHz I2C总线兼容
• 1.8到6.0伏工作电压范围
• 低功耗CMOS技术
• 写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态
• 页写缓冲器
• 自定时擦写周期
• 100万次编程/擦除周期
• 可保存数据100年
• 8脚DIP SOIC或TSSOP封装
• 温度范围商业级和工业级

5.2 概述

5.3 引脚说明

5.4 总线时序

5.5 读写周期范围

6.代码实现

6.1主函数文件main.c

/ EEPROM-IIC实验 实现现象： 下载程序后数码管后4位显示0，按K1保存显示的数据，按K2读取上次保存的数据， 按K3显示数据加一，按K4显示数据清零。最大能写入的数据是255. */ #include "reg52.h" //此文件中定义了单片机的一些特殊功能寄存器 #include "i2c.h"  typedef unsigned int u16; //对数据类型进行声明定义 typedef unsigned char u8; sbit LSA=P2^2; sbit LSB=P2^3; sbit LSC=P2^4; sbit k1=P3^1; sbit k2=P3^0; sbit k3=P3^2; sbit k4=P3^3; //定义按键端口 char num=0; u8 disp[4]; u8 code smgduan[10]={ 
   0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; /* * 函 数 名 : delay * 函数功能 : 延时函数，i=1时，大约延时10us */ void delay(u16 i) { 
    while(i--); } /* * 函数名 :Keypros() * 函数功能 :按键处理函数 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void Keypros() { 
    if(k1==0) { 
    delay(1000); //消抖处理 if(k1==0) { 
    At24c02Write(1,num); //在地址1内写入数据num } while(!k1); } if(k2==0) { 
    delay(1000); //消抖处理 if(k2==0) { 
    num=At24c02Read(1); //读取EEPROM地址1内的数据保存在num中 } while(!k2); } if(k3==0) { 
    delay(100); //消抖处理 if(k3==0) { 
    num++; //数据加1 if(num>255)num=0; } while(!k3); } if(k4==0) { 
    delay(1000); //消抖处理 if(k4==0) { 
    num=0; //数据清零 } while(!k4); } } /* * 函数名 :datapros() * 函数功能 :数据处理函数 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void datapros() { 
    disp[0]=smgduan[num/1000];//千位 disp[1]=smgduan[num%1000/100];//百位 disp[2]=smgduan[num%1000%100/10];//个位 disp[3]=smgduan[num%1000%100%10]; } /* * 函数名 :DigDisplay() * 函数功能 :数码管显示函数 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void DigDisplay() { 
    u8 i; for(i=0;i<4;i++) { 
    switch(i) //位选，选择点亮的数码管， { 
    case(0): LSA=0;LSB=0;LSC=0; break;//显示第0位 case(1): LSA=1;LSB=0;LSC=0; break;//显示第1位 case(2): LSA=0;LSB=1;LSC=0; break;//显示第2位 case(3): LSA=1;LSB=1;LSC=0; break;//显示第3位  } P0=disp[i];//发送数据 delay(100); //间隔一段时间扫描  P0=0x00;//消隐 } } /* * 函 数 名 : main * 函数功能 : 主函数 * 输 入 : 无 * 输 出 : 无 */ void main() { 
    while(1) { 
    Keypros(); //按键处理函数 datapros(); //数据处理函数 DigDisplay();//数码管显示函数  } } 

6.2 库函数文件I2c.c

 #include"i2c.h" /* * 函数名 : Delay10us() * 函数功能 : 延时10us * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void Delay10us() { 
    unsigned char a,b; for(b=1;b>0;b--) for(a=2;a>0;a--); } /* * 函数名 : I2cStart() * 函数功能 : 起始信号：在SCL时钟信号在高电平期间SDA信号产生一个下降沿 * 输入 : 无 * 输出 : 无 * 备注 : 起始之后SDA和SCL都为0 */ void I2cStart() { 
    SDA=1; Delay10us(); SCL=1; Delay10us();//建立时间是SDA保持时间>4.7us SDA=0; Delay10us();//保持时间是>4us SCL=0; Delay10us(); } /* * 函数名 : I2cStop() * 函数功能 : 终止信号：在SCL时钟信号高电平期间SDA信号产生一个上升沿 * 输入 : 无 * 输出 : 无 * 备注 : 结束之后保持SDA和SCL都为1；表示总线空闲 */ void I2cStop() { 
    SDA=0; Delay10us(); SCL=1; Delay10us();//建立时间大于4.7us SDA=1; Delay10us(); } /* * 函数名 : I2cSendByte(unsigned char dat) * 函数功能 : 通过I2C发送一个字节。在SCL时钟信号高电平期间，保持发送信号SDA保持稳定 * 输入 : num * 输出 : 0或1。发送成功返回1，发送失败返回0 * 备注 : 发送完一个字节SCL=0,SDA=1 */ unsigned char I2cSendByte(unsigned char dat) { 
    unsigned char a=0,b=0;//最大255，一个机器周期为1us，最大延时255us。  for(a=0;a<8;a++)//要发送8位，从最高位开始 { 
    SDA=dat>>7; //起始信号之后SCL=0，所以可以直接改变SDA信号 dat=dat<<1; Delay10us(); SCL=1; Delay10us();//建立时间>4.7us SCL=0; Delay10us();//时间大于4us  } SDA=1; Delay10us(); SCL=1; while(SDA)//等待应答，也就是等待从设备把SDA拉低 { 
    b++; if(b>200) //如果超过2000us没有应答发送失败，或者为非应答，表示接收结束 { 
    SCL=0; Delay10us(); return 0; } } SCL=0; Delay10us(); return 1; } /* * 函数名 : I2cReadByte() * 函数功能 : 使用I2c读取一个字节 * 输入 : 无 * 输出 : dat * 备注 : 接收完一个字节SCL=0,SDA=1. */ unsigned char I2cReadByte() { 
    unsigned char a=0,dat=0; SDA=1; //起始和发送一个字节之后SCL都是0 Delay10us(); for(a=0;a<8;a++)//接收8个字节 { 
    SCL=1; Delay10us(); dat<<=1; dat|=SDA; Delay10us(); SCL=0; Delay10us(); } return dat; } /* * 函数名 : void At24c02Write(unsigned char addr,unsigned char dat) * 函数功能 : 往24c02的一个地址写入一个数据 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void At24c02Write(unsigned char addr,unsigned char dat) { 
    I2cStart(); I2cSendByte(0xa0);//发送写器件地址 I2cSendByte(addr);//发送要写入内存地址 I2cSendByte(dat); //发送数据 I2cStop(); } /* * 函数名 : unsigned char At24c02Read(unsigned char addr) * 函数功能 : 读取24c02的一个地址的一个数据 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ unsigned char At24c02Read(unsigned char addr) { 
    unsigned char num; I2cStart(); I2cSendByte(0xa0); //发送写器件地址 I2cSendByte(addr); //发送要读取的地址 I2cStart(); I2cSendByte(0xa1); //发送读器件地址 num=I2cReadByte(); //读取数据 I2cStop(); return num; } 

6.3 I2c库头文件

#ifndef __I2C_H_ #define __I2C_H_ #include <reg52.h> sbit SCL=P2^1; sbit SDA=P2^0; void I2cStart(); void I2cStop(); unsigned char I2cSendByte(unsigned char dat); unsigned char I2cReadByte(); void At24c02Write(unsigned char addr,unsigned char dat); unsigned char At24c02Read(unsigned char addr); #endif 

7.效果

EEPROM具有断电保护作用，开始先不断按“按键3”累加一个值，数码管显示累加后的值，再按“按键1”通过IIC通信将数据保存到EEPROM，这时候可以断电，再通电，接着按“按键2”，读取EEPROM中存储的数据再显示到数码管上。（按键4清零）