I2C总线原理与应用

一.简介

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。由于其简单性，如今方泛用于微控制器与各种功能模块的连接，可以说是学单片机的人，入门之后，必定要涉及到的。

I2C 总线实际上已经成为一个国际标准在超过100 种不同的IC 上实现，而且得到超过50 家公司的许可，正因为其简单和应用广泛，因此其功能也越来不满足人们的要求，其速度也从原来的100Kbit/S，增加了快速模式，其速度达400Kbit/S，再后来也增加了高速模式，其速度更达3.4Mbit/S。

二.功能和特点

I2C总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多少器件，并且通个两根线连接，占用空间非常的小，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。它的另一优点是多主控，只要能够进行接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同一时间工作。

I2C总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线）。任何时候时钟信号都是由主控器件产生。

I2C总线在传送数据的过程中，主要有三种控制信号：起始信号，结不信号，应答信号

起始信号：当SCL为高电平时，SDA由高电平转为低电平时，开始传送数据 结束信号：当SCL为高电平时，SDA由低电平转为高电平时，结束数据传送 应答信号：接收数据的器件在接收到8bit数据后，向发送数据的器件发出低电平信号，表示已收到数据。这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。总之由接收数据的器件发出。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。 三.基本操作

下面我们以ATMEL公司的AT24C02来介绍I2C的基本操作

AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8bit存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。他在系统中始终为从动器件。

对AT24C02的操作主要有：字节读，字节写，页面读，页面写 首先发送起始信号，如下图，起始信号后必须是控制字，

控制字格式如下，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，也就是三个地址位，最后一位为读写控制位，当为1(Input)时为读操作，为0(Output)时为写操作。

控制字后就是相应的操

作，读或写，一定不要结束，因为这个操作还没有完成，如果结束就等于放弃操作。

先来看写操作，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,AT24C02为8字节，每写一个字节后，地址自动加1。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3，字节写可以看成是只有一个字节的页面写，也就是写一个数据后停止。注意：写一次需要一定时间，一般为10ms，要等侍这个操作完成。时序如下图：

说明：对于AT24C02，在控制字后还必须写入地址，这个地址是以后读写的起始地址。

读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。三种操作方法类似，只是读的数据个数不同，可连续读8个字节，图4给出的是顺序读的时序图,图中共读了四个数据，需要注意的是当前的地址，如果不是想要的，可以用写操作，重新写入地址。非常重要的是，每读一个数据后，必须置低SDA，作为应答，否则，只能读一个数据，后面的数据，因为收到不应答信号，AT24C02就会认为出错，停止操作。特别提醒的是，当SCL为低电平时，数据是可变的，因些只有SCL为高电平时，才能读数。（相关时序，请看例程序的，读功能函数）

四.例程序（51汇编，测试单片机为AT89C51，12M晶振）

电路连接如图5，其中A0，A1，A2为地址线，本例中全部接地，因此全部为0。由于SCL和SDA为漏极开路输出，所以在使用时，需加上拉电阻。

关于I2C总线的基本操作

软件实现I2C主模式通讯看似简单，但实际应用中最容易犯的错误就是对SCL和SDA总线上高电平的实现过程。在硬件设计上，任意选择单片机的两个IO引脚分别指派为SCL和SDA，虽然不是必须的，但为方便软件编程一般设于同一个端口，并在其上外接上拉电阻，至于ESD保护电阻和抗干扰滤波电容则为可选件，不影响I2C总线通讯。当器件占用总线时，需要在SCL或SDA引脚上输出低电平， 软件就将PORT寄存器相关位设定为0的同时对应的TRIS寄存器位也设为0；当释放总线即总线上变为高电平时，注意不能直接从IO引脚上输出高电平，而是应该将TRIS位设为1，使引脚变成高阻输入状态，通过外接的上拉电阻得到高电平。很多工程师没有遵循这种操作规范，尽管在特定的应用中也可以实现I2C通讯，但留有很多隐患，不可盲目照搬。

对于PIC单片机来说，I2C总线的控制基本上可以简化到对TRIS寄存器相关位的控制。在初始化时先将数据端口寄存器PORTx和PORTx引脚设为0。需要总线为0，则TRISx＝0或TRISx＝0；释放总线，则TRISx＝1或TRISx＝1。当单片机需要从总线上读取从器件发出的数据和应答信号时，则直接读取PORTx引脚的输入电平。由于PORTx和TRISx寄存器在不同的bank，在程序中可以利用FSR做间接寻址以减少bank切换。

MCS-51单片机模拟I2C软件包(V1.1)(c)

/******************************************************************** MCS-51单片机模拟I2C软件包(V1.1) 文件名：VI2C_C51.C

相关文件：VI2C_C51.H，VI2C_C51.LIB

功能说明：本模拟I2C软件包包含了I2C操作的底层函数，如发送数据及接收 数据,应答位发送,并提供了几个直接面对器件的操作函数，它很方便的与用户程 序连接并扩展.....

注意:函数是采用软件延时的方法产生SCL脉冲,固对高晶振频率要作 一定的 修改....(本软件包是1us机器周期,即晶振频率要小于12MHZ) 总线时序符合I2C标准模式,100Kbit/S。

更新时间：2002.06.05 ********************************************************************/ ＃i nclude ＃i nclude

#define uchar unsigned char /*宏定义*/ #define uint unsigned int

#define _Nop() _nop_() /*定义空指令*/

sbit SDA=P3^4; /*模拟I2C数据传送位*/ sbit SCL=P3^5; /*模拟I2C时钟控制位*/ bit ack; /*应答标志位*/

/******************************************************************* 起动总线函数 函数原型: void Start_I2c();

功能: 启动I2C总线,即发送I2C起始条件.

********************************************************************/ void Start_I2c() {

SDA=1; /*发送起始条件的数据信号*/ _Nop(); SCL=1;

_Nop(); /*起始条件建立时间大于4.7us,延时*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop();

SDA=0; /*发送起始信号*/

_Nop(); /* 起始条件锁定时间大于4μs*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop();

SCL=0; /*钳住I2C总线，准备发送或接收数据 */ _Nop(); _Nop(); }

/******************************************************************* 结束总线函数 函数原型: void Stop_I2c();

功能: 结束I2C总线,即发送I2C结束条件.

********************************************************************/ void Stop_I2c() {

SDA=0; /*发送结束条件的数据信号*/ _Nop(); /*发送结束条件的时钟信号*/ SCL=1; /*结束条件建立时间大于4μs*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop();

SDA=1; /*发送I2C总线结束信号*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); }

/******************************************************************* 字节数据发送函数 函数原型: void SendByte(uchar c);

功能: 将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,并对 此状态位进行操作.(不应答或非应答都使ack=0) 发送数据正常，ack=1; ack=0表示被控器无应答或损坏。

********************************************************************/ void SendByte(uchar c) {

uchar BitCnt;

for(BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++) /*要传送的数据长度为8位*/ {

if((c<SCL=1; /*置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位*/

_Nop();

_Nop(); /*保证时钟高电平周期大于4μs*/ _Nop(); _Nop();

_Nop(); SCL=0; } _Nop(); _Nop();

SDA=1; /*8位发送完后释放数据线，准备接收应答位*/ _Nop(); _Nop(); SCL=1; _Nop(); _Nop(); _Nop();

if(SDA==1)ack=0;

else ack=1; /*判断是否接收到应答信号*/ SCL=0; _Nop(); _Nop(); }

/******************************************************************* 字节数据接收函数 函数原型: uchar RcvByte();

功能: 用来接收从器件传来的数据,并判断总线错误(不发应答信号)， 发完后请用应答函数应答从机。

********************************************************************/ uchar RcvByte() {

uchar retc; uchar BitCnt; retc=0;

SDA=1; /*置数据线为输入方式*/ for(BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++) {

_Nop();

SCL=0; /*置时钟线为低，准备接收数据位*/ _Nop();

_Nop(); /*时钟低电平周期大于4.7μs*/ _Nop(); _Nop(); _Nop();

SCL=1; /*置时钟线为高使数据线上数据有效*/ _Nop(); _Nop(); retc=retc<<1;

if(SDA==1)retc=retc+1; /*读数据位,接收的数据位放入retc中 */ _Nop(); _Nop(); } SCL=0; _Nop(); _Nop(); return(retc); }

/******************************************************************** 应答子函数 函数原型: void Ack_I2c(bit a);

功能: 主控器进行应答信号(可以是应答或非应答信号，由位参数a决定) ********************************************************************/ void Ack_I2c(bit a) {

if(a==0)SDA=0; /*在此发出应答或非应答信号 */ else SDA=1; _Nop(); _Nop(); _Nop(); SCL=1; _Nop();

_Nop(); /*时钟低电平周期大于4μs*/ _Nop(); _Nop(); _Nop();

SCL=0; /*清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收*/ _Nop();

_Nop(); }

/******************************************************************* 用户接口函数 *******************************************************************/

/******************************************************************* 向无子地址器件发送字节数据函数 函数原型: bit ISendByte(uchar sla,ucahr c);

功能: 从启动总线到发送地址，数据，结束总线的全过程,从器件地址sla. 如果返回1表示操作成功，否则操作有误。 注意： 使用前必须已结束总线。

********************************************************************/ bit ISendByte(uchar sla,uchar c) {

Start_I2c(); /*启动总线*/ SendByte(sla); /*发送器件地址*/ if(ack==0)return(0);

SendByte(c); /*发送数据*/ if(ack==0)return(0);

Stop_I2c(); /*结束总线*/ return(1); }

/******************************************************************* 向有子地址器件发送多字节数据函数 函数原型: bit ISendStr(uchar sla,uchar suba,ucahr *s,uchar no); 功能: 从启动总线到发送地址，子地址,数据，结束总线的全过程,从器件 地址sla，子地址suba，发送内容是s指向的内容，发送no个字节。 如果返回1表示操作成功，否则操作有误。 注意： 使用前必须已结束总线。

********************************************************************/ bit ISendStr(uchar sla,uchar suba,uchar *s,uchar no) {

uchar i;

Start_I2c(); /*启动总线*/ SendByte(sla); /*发送器件地址*/

if(ack==0)return(0);

SendByte(suba); /*发送器件子地址*/ if(ack==0)return(0); for(i=0;iSendByte(*s); /*发送数据*/ if(ack==0)return(0); s++; }

Stop_I2c(); /*结束总线*/ return(1); }

/******************************************************************* 向无子地址器件发送多字节数据函数 函数原型: bit ISendStr(uchar sla,ucahr *s,uchar no);

功能: 从启动总线到发送地址，子地址,数据，结束总线的全过程,从器件 地址sla，发送内容是s指向的内容，发送no个字节。 如果返回1表示操作成功，否则操作有误。 注意： 使用前必须已结束总线。

********************************************************************/ bit ISendStrExt(uchar sla,uchar *s,uchar no) {

uchar i;

Start_I2c(); /*启动总线*/ SendByte(sla); /*发送器件地址*/ if(ack==0)return(0); for(i=0;iSendByte(*s); /*发送数据*/ if(ack==0)return(0); s++; }

Stop_I2c(); /*结束总线*/ return(1); }

/******************************************************************* 向无子地址器件读字节数据函数 函数原型: bit IRcvByte(uchar sla,ucahr *c);

功能: 从启动总线到发送地址，读数据，结束总线的全过程,从器件地 址sla，返回值在c.

如果返回1表示操作成功，否则操作有误。 注意： 使用前必须已结束总线。

********************************************************************/ bit IRcvByte(uchar sla,uchar *c) {

Start_I2c(); /*启动总线*/ SendByte(sla+1); /*发送器件地址*/ if(ack==0)return(0);

*c=RcvByte(); /*读取数据*/ Ack_I2c(1); /*发送非就答位*/ Stop_I2c(); /*结束总线*/ return(1); }

/******************************************************************* 向有子地址器件读取多字节数据函数 函数原型: bit ISendStr(uchar sla,uchar suba,ucahr *s,uchar no); 功能: 从启动总线到发送地址，子地址,读数据，结束总线的全过程,从器件 地址sla，子地址suba，读出的内容放入s指向的存储区，读no个字节。 如果返回1表示操作成功，否则操作有误。 注意： 使用前必须已结束总线。

********************************************************************/ bit IRcvStr(uchar sla,uchar suba,uchar *s,uchar no) {

uchar i;

Start_I2c(); /*启动总线*/ SendByte(sla); /*发送器件地址*/ if(ack==0)return(0);

SendByte(suba); /*发送器件子地址*/ if(ack==0)return(0);

Start_I2c(); /*重新启动总线*/ SendByte(sla+1); if(ack==0)return(0); for(i=0;i*s=RcvByte(); /*发送数据*/

Ack_I2c(0); /*发送就答位*/ s++; }

*s=RcvByte();

Ack_I2c(1); /*发送非应位*/ Stop_I2c(); /*结束总线*/ return(1); }

/******************************************************************* 向无子地址器件读取多字节数据函数 函数原型: bit ISendStrExt(uchar sla,ucahr *s,uchar no); 功能: 从启动总线到发送地址,读数据,结束总线的全过程. 从器件地址sla，读出的内容放入s指向的存储区， 读no个字节。如果返回1表示操作成功，否则操作有误。 注意： 使用前必须已结束总线。

********************************************************************/ bit IRcvStrExt(uchar sla,uchar *s,uchar no) {

uchar i; Start_I2c(); SendByte(sla+1); if(ack==0)return(0); for(i=0;i*s=RcvByte(); /*发送数据*/ Ack_I2c(0); /*发送就答位*/ s++; }

*s=RcvByte();

Ack_I2c(1); /*发送非应位*/ Stop_I2c(); /*结束总线*/ return(1); }