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1、单片机教程-51系列单片机读写IIC总线28 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望28.1 I2C总线概述I2C总线对数据通信进行了严格的定义，要进行I2C总线的接口设计，就需要首先了解I2C总线的工作原理图、寻址方式和数据传输协议等。28.1.1 I2C总线工作原理典型的I2C总线系统结构，如图28.1所示。其采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成。总线上挂接的单片机（主器件）或外围器件（从器件），其接口电路都应具有I2C总线通信能力。28.1.
2、2 I2C总线的电气结构和负载能力I2C总线的SCL和SDA端口输出为漏极开路，因此使用时上必须连接上拉电阻。不同型号的器件对上拉电阻的要求不同，可参考具体器件的数据手册。上拉电阻的大小与电源电压、传输速率等有关系。I2C总线的传输速率可以支持100kHz和400kHz两种，对于100kHz的速率一般采用10K的上拉电阻，对于400kHz的速率一般采用2K的上拉电阻。I2C总线上的外围扩展器件都是属于电压型负载的CMOS器件，因此总线上的器件数量不是由电流负载能力决定，而是由电容负载能力确定。I2C总线上每一个节点器件的接口都有一定的等效电容，这会造成信号传输的延迟。通常I2C总线的负载能力为
3、400pF（通过驱动扩展可达4000pF），据此可计算出总线长度及连接器件的数量。28.1.3 I2C总线器件的寻址方式I2C总线上的所有器件连接在一个公共的总线上，因此，主器件在进行数据传输前选择需要通信的从器件，即进行总线寻址。I2C总线上所有外围器件都需要有惟一的地址，由器件地址和引脚地址两部分组成，共7位。器件地址是I2C器件固有的地址编码，器件出厂时就已经给定，不可更改。引脚地址是由I2C总线外围器件的地址引脚（A2，A1，A0）决定，根据其在电路中接电源正极、接地或悬空的不同，形成不同的地址代码。引脚地址数也决定了同一种器件可接入总线的最大数目。地址位与一个方向位共同构成I2C总线
4、器件寻址字节。寻址字节的格式如表所示。方向位（R/）规定了总线上的主器件与外围器件（从器件）的数据传输送方向。当方向位R/=1，表示主器件读取从器件中的数据；R/=0，表示主器件向从器件发送数据。28.2 I2C总线数据传输协议及其程序详解I2C总线规定了严格的数据通信格式，所有具有I2C总线接口的器件都必须遵守。另外，对于应用最广的51系列单片机，却没有提供I2C总线接口。实际上，利用这些单片机的普通I/O口，采用软件模拟I2C总线SCL和SDA上的数据传送时序，完全可以实现对I2C总线器件的读、写操作。下面就分别介绍数据传输过程中的格式以及如何使用8051单片机来实现。这里假设51系列单片
5、机的外接晶振频率为6MHz，单片机的机器周期为2s，采用P1.0作为时钟线SCL，P1.1作为数据线SDA。28.2.1 起始信号起始信号用于开始I2C总线通信。在时钟线SCL为高电平期间，数据线SDA上出现由高电平向低电平变化的下降沿时，被认为是起始信号。起始信号出现以后，才可以进行寻址或数据传输等。如果采用汇编语言进行程序设计，则其程序示例如下：START:SETBP1.1;P1.1=1，SDA=1SETBP1.0;P1.0=1，SCL=1NOP;延时NOPCLRP1.1;P1.1=0，SDA=0NOPNOPCLRP1.0;P1.0=0，SCL=0RET 28.2.2 终止信号终止信号用于
6、终止I2C总线通信。在时钟线SCL为高电平期间，数据线SDA上出现由低电平到高电平变化的上升沿时，被认为是终止信号。终止信号一出现，所有总线操作都结束，主从器件释放总线控制权。如果采用汇编语言进行程序设计，则其程序示例如下：STOP:CLRP1.1;P1.1=0，SDA=0SETBP1.0;P1.0=1，SCL=1NOPNOPSETBP1.1;P1.1=1，SDA=1NOPNOPCLRP1.0;P1.0=0，SCL=0RET 28.2.3 应答信号应答信号用于表明数据传输的结束。I2C总线数据传送时，每传送一个字节数据后都必须有应答信号。应答信号从主器件产生。主器件在第9个时钟位上释放数据总线
7、，使其处于高电平状态，此时从器件输出低电平拉低数据总线为应答信号。如果采用汇编语言进行程序设计，则发送应答位子程序示例如下：ACK:CLRP1.1;P1.1=0，SDA=0SETBP1.0;P1.0=1，SCL=1NOPNOPCLRP1.0;P1.0=0，SCL=0NOPNOPSETBP1.1;P1.1=1，SDA=1RET 28.2.4 非应答信号非应答信号用于数据传输出现异常而无法完成时。在传送完一个字节数据后，在第9个时钟位上从器件输出高电平为非应答信号。非应答信号的产生有两种情况。当从器件正在进行其他处理而无法接收总线上的数据时，从器件不产生应答，此时从器件释放总线，将数据线置为高电平
8、。这样，主器件可产生一个停止信号来终止总线数据传输。当主器件接收来自从器件的数据时，接收到最后一个数据字节后，必须给从器件发送一个非应答信号，使从器件释放数据总线。这样，主器件才可以发送停止信号，从而终止数据传送。28.2.5 应答位检查应答位检查用于检测接收的是否为正常的应答信号，以便于判断数据接收是否正常，方便后期处理。如果采用汇编语言进行程序设计，则检查应答位子程序示例如下：CACK:SETBP1.1;P1.1=1，SDA=1NOPSETBP1.0;P1.0=1，SCL=1NOPCLRF0;预设F0=0，表示正常应答信号MOVA,P1;读端口P1，输入P1.1/SDA引脚状态JNBACC
9、.1,CND;检查SDA状态，正常状态转向CNDSETBF0;无正常应答，F0=1，表示非应答信号CND:CLRP1.0;结束子程序，使P1.0=0NOPRET28.2.6 总线数据位在I2C总线启动后或应答信号后的第18个时钟脉冲，对应于要传送字节的8位数据，数据位由低到高传送。I2C总线上的数据是伴随着时钟脉冲，一位一位地传送的，每位数据占一个时钟脉冲。在时钟线SCL高电平期间，数据线SDA的状态就表示要传送的数据，高电平为数据1，低电平为数据0。在数据传送时，数据线上数据的改变在时钟线为低电平时完成，而时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定，否则数据线上的任何变化都会被当作起始或终止信号，
10、而致使数据传输停止。28.2.7 写数据I2C总线协议规定了完整的数据传送格式。按照协议规定，数据传输的开始以主器件发出起始信号为准，然后发送寻址字节。寻址字节共8位，高7位是被寻址的从器件地址，最低一位是方向位，方向位表示主器件与从器件之间的数据传送方向，方向位为“0”时表示主器件向从器件发送数据（写）。在寻址字节后是将要传送的数据字节与应答位，数据可以多字节连续发送。在数据传送完毕后，主器件必须发送终止信号已释放总线控制权。如果主器件希望继续占用总线，则可以不产生终止信号，马上再次发送起始信号，并对另一从器件进行寻址，便可进行新的数据传送。28.2.8 读数据I2C总线进行读数据时，数据传
11、输的开始以主器件发出起始信号为准，然后发送寻址字节。寻址字节共8位，高7位是被寻址的从器件地址，最低一位是方向位，方向位表示主器件与从器件之间的数据传送方向，方向位为“1”时表示主器件从从器件中接收数据（读）。在寻址字节后是将要传送的数据字节与应答位，数据可以多字节连续发送。在数据传送完毕后，主器件必须发送终止信号已释放总线控制权。如果主器件希望继续占用总线，则可以不产生终止信号，马上再次发送起始信号，并对另一从器件进行寻址，便可进行新的数据传送。28.3 51单片机读写EEPROMI2C总线接口器件以体积小、接口简单、读写操作方便等优点，使其在单片机系统中有着广泛的应用。目前常用于存储系统必
12、要的参数，如密码、启动代码、设备标识等。例如，计算机主板中的BIOS就使用的是一个带有I2C总线的EEPROM，其中保存了系统得重要信息和系统参数的设置程序。目前USB接口及其设备越来越被广泛使用，大有取代其他老式接口的趋势。然而，如何区分计算机上连接的众多USB外围设备呢？其实绝大部分的USB接口芯片都通过上电读一个带有I2C总线的串行EEPROM，来载入该设备的ID（包括Vendor ID、Product ID和Device ID），根据这些ID来区分各个USB设备，并加载相应的驱动程序。28.3.1 串行EEPROM存储器简介串行EEPROM存储器是一种采用串行总线的存储器，这类存储器具
13、有体积小、功耗低、允许工作电压范围宽等特点。目前，单片机系统中使用较多的EEPROM芯片是24系列串行EEPROM。其具有型号多、容量大、支持I2C总线协议、占用单片机I/O端口少，芯片扩展方便、读写简单等优点。目前，Atmel、MicroChip、National等公司均提供各种型号的I2C总线接口的串行EEPROM存储器。下面以Atmel公司的产品为例进行介绍。AT24C01/02/04/08系列是Atmel公司典型的I2C串行总线的EEPROM。这里以AT24C08为例介绍。AT24C08具有10248位的存储容量，工作于从器件模式，可重复擦写100万次，数据可以掉电保存100年。8引脚
14、DIP封装的AT24C08的封装结构，如图所示。28.3.2 电路设计这里给出单片机AT89S52读写AT24C08的电路图，如图所示。28.3.3 程序设计这里采用Keil C51语言编写程序。具体操作步骤如下：28.3.4 仿真分析Keil Vison3集成开发环境提供了很好的信号仿真功能，下面就利用其进行I2C串行总线的时序仿真分析。具体操作步骤如下：28.4 小结本章详细介绍了I2C串行总线的工作原理、结构以及寻址方式等，并对I2C串行总线的数据传输进行了详细的介绍。本章还给出了采用普通的51系列单片机模拟读写I2C串行总线的汇编语言和C语言的代码。最后通过一个具体的实例，讲解了单片机读写I2C总线外围器件的电路设计以及程序设计。I2C串行总线具有接口简单，体积小等优点，在实际电路设计中经常使用。熟练掌握本章，可以控制大部分的I2C总线外围器件，大大扩展了51系列单片机的使用范围。