I2C总线协议的总结介绍

简介:   在看天翔哥的视频之后,他强调要把I2C协议好好研究一下,那么就对一些基本的通信手段是十分有帮助的。。那么就来了解一下I2C总线协议的一些知识吧。 I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于I2C总线的工作原理与应用,用于连接微控制器及其外围设备。

  在看天翔哥的视频之后,他强调要把I2C协议好好研究一下,那么就对一些基本的通信手段是十分有帮助的。。那么就来了解一下I2C总线协议的一些知识吧。

I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于I2C总线的工作原理与应用,用于连接微控制器及其外围设备。I2C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。
  I2C是一种串行总线的外设接口,它采用同步方式串行接收或发送信息,两个设备在同一个时钟下工作。I2C总线只用两根线:串行数据SDASerial Data)、串行时钟SCLSerial Clock)。

由于I2C只有一根数据线,因此其发送信息和接收信息不能同时进行。信息的发送和接收只能分时进行。I2C串行总线工作时传输速率最高可达400K bit/s

I2C总线上的所有器件的SDA线并接在一起,所有器件的SCL线并接在一起,且SDA线和SCL线必须通过上拉电阻连接到正电源。

I2C总线的数据传输协议要比SPI总线复杂一些,因为I2C总线器件没有片选控制线,所以I2C总线数据传输的开始必须由主器件产生通信的开始条件(SCL高电平时,SDA产生负跳变);通信结束时,由主器件产生通信的结束条件(SCL高电平时,SDA产生正跳变)。

SDA线上的数据在SCL高电平期间必须保持稳定,否则会被误认为开始条件或结束条件,只有在SCL低电平期间才能改变SDA线上的数据,I2C总线的数据传输波形图如下:

  

   1,  I2C总线特点
  I2C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I2C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。I2C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。

   2,  I2C总线工作原理
  2.1 总线的构成及信号类型
  I2C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,I2C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。

   I2C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。

  3  总线基本操作
  I2C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。

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。

 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下图。

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。                                                                             

顺序读

 在I2C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。

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