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I2C总线详细介绍

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发表于 2018-12-18 09:52:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
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SDA(Serial Data)、串行时钟SCL(Serial 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图所示。

I2C应用实例
AT24C系列为美国ATMEL公司推出的串行COMS型E2PROM,具有功耗小,宽电压范围等优点。下图为AT24C系列E2PROM的引脚图。图中A0、A1、A2为器件地址引脚,Vss为地,Vcc为正电源,WP为写保护,SCL为串行时钟线,SDA为串行数据线。AT24C系列E2PROM采用I2C总线,I2C总线上可挂接多个接口器件,在I2C总线上的每个器件应有唯一的器件地址,按I2C总线规则,器件地址为7位二进制数,它与一位数据方向位构成一个器件寻址字节。器件寻址字节的最低位(D0)为方向位(读/写),最高4位(D7~D4)为器件型号地址(不同的I2C总线接口器件的型号地址由厂家给定,AT24C系列E2PROM的型号地址都为1010);其余3位(D3~D1)与器件引脚地址A2A1A0相对应。器件地址格式:
1010  A2A1A0。

对于E2PROM的片内地址,AT24C01和AT24C02由于芯片容量可用一个字节表示,故读写某个单元前,先向E2PROM写入一个字节的器件地址,再写入一个字节的片内地址。而AT24C04、AT24C08、AT24C16分别需要9位、10位和11位片内地址,所以AT24C04把器件地址中的A0作为片内地址的最高位,AT24C08把器件地址中的A1A0作为片内地址的最高两位,AT24C16把器件地址中的A2A1A0作为片内地址的最高三位。凡在系统中把器件的引脚地址用作片内地址后,该引脚在电路中不得使用,做悬空处理。AT24C32、AT24C64、AT24C128、AT24C256和AT24C512的片内地址采用两个字节。
AT24C系列E2PROM的读写操作原理
下列读写操作中SDA线上数据传送状态标记注释如下:
Start为启动信号(SCL为高电平,SDA产生负跳变),由主机发送。
Stop为结束信号(SCL为高电平,SDA产生正跳变),由主机发送。
AddressByte、AddreeeByte H、AddreeeByte L为地址字节,指定片内某单元地址,由主机发送。
data为数据字节,由数据发送方发送。
0 为肯定应答信号,由数据接收方发送。
1 为否定应答信号,由数据接收方发送。
主机控制数据线SDA时,在SCL高电平期间必须保持SDA线上的数据稳定,否则会被误认为对从机的起始条件或结束条件。主机只能在SCL低电平期间改变SDA线上的数据。主机写操作期间,用SCL的上升沿写入数据;主机读操作期间,用SCL的下降沿读出数据。
从AT24C系列AT24C01~AT24C16中读n个字节的数据格式:

从AT24C系列AT24C32~AT24C512中读n个字节的数据格式:

向AT24C系列AT24C01~AT24C16中写n个字节的数据格式(n<=页长,且n个字节不能跨页):

向AT24C系列AT24C32~AT24C512中写n个字节的数据格式(n<=页长,且n个字节不能跨页):

应答信号
I2C总线数据传送时,每成功地传送一个字节数据后,接收器都必须产生一个应答信号。应答的器件在第9个时钟周期时将SDA线拉低,表示其已经收到一个8位数据。
I2C器件在接收到起始信号和从器件地址之后响应一个应答信号,如果器件已选择了写操作,则在每接收一个8位字节之后响应一个应答信号。
I2C器件工作在读模式时,在发送一个8位数据后释放SDA线(SDA置为高电平)并监视一个应答信号,一旦接收到主器件的应答信号,I2C器件则继续发送数据,如果主器件没有发送应答信号(发送非应答信号,即SDA为高电平),器件停止传送数据且等待一个停止信号。
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