I2C總線的工作原理及使用方法詳細分析

大家好，通過前一期的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)對ICD2 仿真燒寫器和增強型PIC 實驗板的使用方法及學(xué)習(xí)方式有所了解與熟悉，學(xué)會了如何用單片機來控制發(fā)光管、繼電器、蜂鳴器、按鍵、數(shù)碼管、RS232 串口、步進電機、溫度傳感器等資源，體會到了學(xué)習(xí)板的易用性與易學(xué)性，看了前幾期實例，當(dāng)你實驗成功后一定很興奮，很有成就感吧！現(xiàn)在我們就趁熱打鐵，再向上跨一步，一起來學(xué)習(xí)一下I2C 總線的工作原理及使用方法，這樣我們可以將一些我們要保存的數(shù)據(jù)存儲到I2C總線的非易失存儲器中，實現(xiàn)斷電保持的功能，比如：你設(shè)置了一個密碼，但不至于這個設(shè)備斷過電以后就要重新設(shè)置過，我們可以將密碼數(shù)據(jù)寫在非易失存儲器里面，還有如汽車的量程表的讀數(shù)是不斷累計的，可以通過不斷訪問I2C 存儲器實現(xiàn)。

一、I2C總線特點

I2C 總線是主從結(jié)構(gòu)，單片機是主器件，存儲器是從器件。一條總線可以帶多個從器件（ 也可以有多主結(jié)構(gòu)），I2C 總線的SDA 和SCL 是雙向的，開路門結(jié)構(gòu)，通過上拉電阻接正電源。進行數(shù)據(jù)傳輸時，SDA 線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定

在SCL 線是高電平時，SDA 線從高電平向低電平切換表示起始條件；當(dāng)SCL 是高電平時SDA 線由低電平向高電平切換表示停止條件如圖2 所示。

圖2 起始和停止信號

發(fā)送到SDA 線上的每個字節(jié)必須為8 位。

可以由高位到低位傳輸多個字節(jié)。每個字節(jié)后必須跟一個響應(yīng)位（ACK）。響應(yīng)時鐘脈沖由主機產(chǎn)生。主機釋放SDA 線從機將SDA 線拉低，并在時鐘脈沖的高電平期間保持穩(wěn)定。如圖3 示。當(dāng)主機接受數(shù)據(jù)時，它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個結(jié)束傳送的信號。這個信號是由主機對從機的“非應(yīng)答”來實現(xiàn)的。然后，從機釋放SDA 線，以允許主機產(chǎn)生終止或重復(fù)起始信號。

圖3 字節(jié)格式與應(yīng)答

二、數(shù)據(jù)幀格式

（1）主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳送方向在傳輸過程中不改變，如圖4 所示。

圖4 主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)

注：陰影部分：表示主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)；無陰影部分：表示主機向從機讀取數(shù)據(jù)。

A：表示應(yīng)答；：表示非應(yīng)答。S：起始信號；P ：終止信號。

（2）主機在第一個字節(jié)后，立即向從機讀取數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖5 主機在第一個字節(jié)后立即讀從機

（3）復(fù)合格式，如圖6 所示。傳輸改變方向的時候，起始條件和從機地址都會被重復(fù)，但R/ W-位取反。如果主機接收器發(fā)送一個停止或重復(fù)起始信號，它之前應(yīng)該發(fā)送了一個不響應(yīng)信號（）。

圖6 復(fù)合格式

由以上格式可見，無論哪種傳輸方式，起始信號、終止信號和地址均由主機發(fā)出（圖中陰影部分），數(shù)據(jù)字節(jié)的傳送方向則由尋址字節(jié)中的方向位規(guī)定，每個字節(jié)的傳送都必須有應(yīng)答位（A 或）。

下面通過24C02 實例在增強型PIC 實驗板上編程，其硬件原理圖如圖7 所示，U7 為實驗板上24C02 芯片，SDA 與單片機的RB5 口相連，SCL 與單片機RB4 相連，七段數(shù)碼管D5、D7、D8 組成了顯示單元，字形碼的數(shù)據(jù)通過RC 口送入，各數(shù)碼管的顯示片選信號分別不同的RA 口進行控制。

圖7 讀/ 寫AT24C 系列存儲器原理圖

在MPLab IDE 軟件中新建工程，加入源程序代碼，同時進行芯片型號的選擇和配置位的設(shè)置，我們實驗所用的芯片型號為PIC16F877A。

編寫的程序代碼如下，其中程序流程圖如圖8 所示。

三、軟件流程圖

圖8 I2C 總線讀/ 寫數(shù)據(jù)流程圖

四、軟件代碼

/**********/

/* 目標(biāo)器件：PIC16F877A */

/* 晶振：4.0MHZ */

/* 編譯環(huán)境：MPLAB V7.51 */

/**********/

/**********

包含頭文件

**********/

#include

/**********

數(shù)據(jù)定義

**********/

#define address 0xa

#define nop（） asm（"nop"）

#define OP_READ 0xa1

// 器件地址以及讀取操作

#define OP_WRITE 0xa0

// 器件地址以及寫入操作

/**********

端口定義

**********/

#define SCL RB4

#define SDA RB5

#define SCLIO TRISB4

#define SDAIO TRISB5

/**********

共陰LED 段碼表

**********/

const char table[]={0xC0,0xF9,0xA4,0x

B0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x

83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E};

/**********

函數(shù)功能： 延時子程序

**********/

void delay（）

{

int i;

for（i=0;i<100;i++）

{;}

}

/**********

函數(shù)功能： 開始信號

**********/

void start（）

{

SDA=1;

nop（）；

SCL=1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SDA=0;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SCL=0;

nop（）；nop（）；

}

/**********

函數(shù)功能： 停止信號

**********/

void stop（）

{

SDA=0;

nop（）；

SCL=1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SDA=1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

}

/**********

函數(shù)功能： 讀取數(shù)據(jù)

出口參數(shù)：read_data

**********/

unsigned char shin（）

{

unsigned char i,read_data;

for（i=0;i<8;i++）

{ nop（）；nop（）；nop（）；

SCL=1;

nop（）；nop（）；

read_data《=1;

if（SDA == 1）

read_data=read_data+1;

nop（）；

SCL=0;

}

return（read_data）；

}

/**********

函數(shù)功能： 向EEPROM 寫數(shù)據(jù)

入口參數(shù)：write_data

出口參數(shù)：ack_bit

**********/

bit shout（unsigned char write_data）

{

unsigned char i;

unsigned char ack_bit;

for（i = 0; i < 8; i++）

{

if（write_data&0x80）

SDA=1;

else

SDA=0;

nop（）；

SCL = 1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SCL = 0;

nop（）；

write_data 《= 1;

}

nop（）；nop（）；

SDA = 1;

nop（）；nop（）；

SCL = 1;

nop（）；nop（）；nop（）；

ack_bit = SDA; // 讀取應(yīng)答

SCL = 0;

nop（）；nop（）；

return ack_bit;

// 返回AT24Cxx 應(yīng)答位

}

/**********

函數(shù)功能： 向指定地址寫數(shù)據(jù)

入口參數(shù)：addr,write_data

**********/

void write_byte（unsigned char addr,

unsigned char write_data）

{

start（）；

shout（OP_WRITE）；

shout（addr）；

SDAIO = 0;

// 在寫入數(shù)據(jù)前SDA 應(yīng)設(shè)置為輸出

shout（write_data）；

stop（）；

delay（）；

}

/**********

函數(shù)功能： 向指定地址讀數(shù)據(jù)

入口參數(shù)：random_addr

出口參數(shù)：read_data

**********/

unsigned char read_random（unsigned

char random_addr）

{ unsigned char read_data;

start（）；

shout（OP_WRITE）；

shout（random_addr）；

start（）；

shout（OP_READ）；

SDAIO = 1;

// 讀取數(shù)據(jù)前SDA 應(yīng)設(shè)置為輸入

read_data = shin（）；

stop（）；

return（read_data）；

}

/**********

函數(shù)功能： 顯示子程序

入口參數(shù)：k

**********/

void display（unsigned char k）

{

TRISA=0X00;

// 設(shè)置A 口全為輸出

PORTC=table[k/1000];

// 顯示千位

PORTA=0xEF;

delay（）；

PORTC=table[k/100%10];

// 顯示百位

PORTA=0xDF;

delay（）；

PORTC = table [k/ 10%10] ;

// 顯示十位

PORTA=0xFB;

delay（）；

PORTC=table[k%10]; // 顯示個位

PORTA=0xF7;

delay（）；

}

/**********

函數(shù)功能： 主程序

**********/

void main（）

{

unsigned char eepromdata;

TRISB=0X00;

OPTION&=~（1《7）；

// 設(shè)置RB 口內(nèi)部上拉電阻有效

TRISC=0X00;

PORTB=0X00;

PORTC=0xff;

TRISA=0X00;

eepromdata=0;

write_byte（0x01,0x55）；

// 向0x01 地址寫入0x55（85） 的數(shù)據(jù)

delay（）；

write_byte（0x02,0xaa）；

// 向0x02 地址寫入0xAA（170） 的數(shù)據(jù)

delay（）；

eepromdata=read_random（0x02）；

// 讀取其中一個地址內(nèi)的數(shù)據(jù)來驗證

while（1）

{

display（eepromdata）；

}

}

編好程序后將編譯好的HEX 碼通過ICD2仿真燒寫器燒入單片機芯片，上電運行，主程序中在0x01 地址寫入了“0x55”， 在0x02 地址寫入了“0xaa”，然后在while 循環(huán)中讀出0x02地址的值，也就是我們之前寫入的“0x55”，讀出后顯示在數(shù)碼管上，我們可以看到數(shù)碼管顯示“170”，即“0xaa”相應(yīng)的十進制數(shù)。

作為初學(xué)者的讀者一定對有些語句會有點疑問，可以看程序中的注釋部份，24c 系列IC 數(shù)據(jù)手冊和源程序相結(jié)合來進行分析。