I2C總線原理及應用實例

I²C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用於連接微控制器及其外圍設備。I²C總線產生於在80年代，最初爲音頻和視頻設備開發，如今主要在服務器管理中使用，其中包括單個組件狀態的通信。例如管理員可對各個組件進行查詢，以管理系統的配置或掌握組件的功能狀態，如電源和系統風扇。可隨時監控內存、硬盤、網絡、系統溫度等多個參數，增加了系統的安全性，方便了管理。 1 I²C總線特點 I²C總線最主要的優點是其簡單性和有效性。由於接口直接在組件之上，因此I²C總線佔用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。總線的長度可高達25英尺，並且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I²C總線的另一個優點是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進行發送和接收的設備都可以成爲主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。 2 I²C總線工作原理 2.1 總線的構成及信號類型 I²C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均並聯在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I²C總線上並接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發送器（或接收器），這取決於它所要完成的功能。CPU發出的控制信號分爲地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調整的類別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。 I²C總線在傳送數據過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。開始信號：SCL爲高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。結束信號：SCL爲低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據後，向發送數據的IC發出特定的低電平脈衝，表示已收到數據。CPU向受控單元發出一個信號後，等待受控單元發出一個應答信號，CPU接收到應答信號後，根據實際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷爲受控單元出現故障。目前有很多半導體集成電路上都集成了I²C接口。帶有I²C接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監控芯片等也提供I²C接口。 3 總線基本操作 I²C規程運用主/從雙向通訊。器件發送數據到總線上，則定義爲發送器，器件接收數據則定義爲接收器。主器件和從器件都可以工作於接收和發送狀態。總線必須由主器件（通常爲微控制器）控制，主器件產生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，併產生起始和停止條件。SDA線上的數據狀態僅在SCL爲低電平的期間才能改變，SCL爲高電平的期間，SDA狀態的改變被用來表示起始和停止條件。參見圖1。
圖1 串行總線上的數據傳送順序
3.1 控制字節在起始條件之後，必須是器件的控制字節，其中高四位爲器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應爲1010），接着三位爲片選，最後一位爲讀寫位，當爲1時爲讀操作，爲0時爲寫操作。如圖2所示。
圖2 控制字節配置
3.2 寫操作寫操作分爲字節寫和頁面寫兩種操作，對於頁面寫根據芯片的一次裝載的字節不同有所不同。關於頁面寫的地址、應答和數據傳送的時序參見圖3。
圖3 頁面寫
3.3 讀操作讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應當注意的是：最後一個讀操作的第9個時鐘週期不是“不關心”。爲了結束讀操作，主機必須在第9個週期間發出停止條件或者在第9個時鐘週期內保持SDA爲高電平、然後發出停止條件。
圖4 順序讀
4 實例：X24C04與MCS-51單片機軟硬件的實現 X24C04是XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM，內部組織成512×8位。16字節頁面寫。與MCS-51單片機接口如圖5所示。由於SDA是漏極開路輸出，且可以與任何數目的漏極開路或集電極開路輸出“線或”（wire-Ored）連接。上拉電阻的選擇可參考X24C04的數據手冊。下面是通過I²C接口對X24C04進行單字節寫操作的例程。流程圖及源程序如下：
圖5 X24C04與51單片機接口
；名稱：BSENT ；描述：寫字節；功能：寫一個字節；調用程序：無；輸入參數：A ；輸出參數：無 BSEND: MOV R2,#08H ；1字節8位 SENDA: CLR P3.2 ； RLC A ；左移一位 MOV P3.3,C ；寫一位 SETB P3.2 DJNZ R2,SENDA ；寫完8個字節？ CLR P3.2 ；應答信號 SETB P3.3 SETB P3.2 RET
圖6 流程圖
5 結束語在I²C總線的應用中應注意的事項總結爲以下幾點 : 1）嚴格按照時序圖的要求進行操作， 2）若與口線上帶內部上拉電阻的單片機接口連接，可以不外加上拉電阻。 3）程序中爲配合相應的傳輸速率，在對口線操作的指令後可用NOP指令加一定的延時。 4）爲了減少意外的干擾信號將EEPROM內的數據改寫可用外部寫保護引腳（如果有），或者在EEPROM內部沒有用的空間寫入標誌字，每次上電時或復位時做一次檢測，判斷EEPROM是否被意外改寫。