I2C總線協議及其應用

作者：時間：2013-01-06 來源：網絡

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一、I2C總線介紹：
由于大規模集成電路技術的發展，在單個芯片集成CPU以及組成一個單獨工作系統所必須的ROM、RAM、I/O端口、A/D、D/A等外圍電路和已經實現，這就是常說的單片機或微控制器。目前，世界上許多公司生產單片機，品種很多：包括各種字長的CPU，各種容量和品種的ROM、RAM，以及功能各異的I/O等等。但是，單片機品種規格有限，所以只能選用某種單片機再進行擴展。擴展的方法有兩種：一種是并行總線，另一種是串行總線。由于串行總線連線少，結構簡單，往往不用專用的母板和插座而直接用導線連接各個設備即可。因此，采用串行總線大大簡化了系統硬件設計。PHILIPS公司早在十幾年就前推出了I2C串行總線，它是具備多主機系統所需的包括裁決和高低速設備同步等功能的高性能串行總線。
1. I2C總線硬件結構和術語
I2C串行總線有兩根信號線：一根雙向的數據線SDA；另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線上的設備的串行數據都接到總線的SDA線，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL。典型的I2C總線結構如圖1。

圖1：PC總線結構

為了避免總線信號的混亂，要求各設備連接到總線的輸出端必須是開漏輸出或集電極開路輸出的結構。設備與總線的接口電路如圖2所示。設備上的串行數據線SDA接口電路應該是雙向的，輸出電路用于向總線上發數據，輸入電路用于接收總線上的數據。串行時鐘線也應是雙向的，作為控制總線數據傳送的主機要通過SCL輸出電路發送時鐘信號，同時要檢測總線上SCL上的電平以決定什么時候發下一個時鐘脈沖電平；作為接受主機命令的從機，要按總線上的SCL的信號發出或接收SDA上的信號，也可以向SCL線發出低電平信號以延長總線時鐘信號周期。總線空閑時，因各設備都是開漏輸出，上拉電阻RP使ADA和SCL線都保持高電平。任一設備輸出的低電平都使相應的總線信號線變低，也就是說各設備的SDA是“與”關系，SCL也是“與”關系。

圖2:設備和PC總線接口電路

總線對設備接口電路的制造工藝和電平都沒有特殊的要求（NMOS、CMOS都可以兼容）。數據傳送率按I2C總線可高達每秒十萬位，高速方式可高達每秒四十萬位。總線上允許連接的設備數以總線上的電容量不超過400pF為限。

總線的運行（數據傳輸）由主機控制。所謂主機即啟動數據的傳送（發出啟動信號），發出時鐘信號，傳送結束時發出停止信號的設備，通常主機是微處理器。被主機尋訪的設備都稱為從機。為了進行通訊，每個接到I2C總線的設備都有一個唯一的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的數據傳送，可以由主機發送數據到從機，也可以是從機發到主機。凡是發送數據到總線的設備稱為發送器，從總線上接收數據的設備被稱為接受器。

I2C總線上允許連接多個微處理器及各種外圍設備，如存儲器、LED及LCD驅動器、A/D及D/A轉換器等。為了保證數據可靠地傳送，任一時刻總線只能有由某一臺主機控制一個微處理器應該在總線空閑時發啟動數據，為了妥善解決多臺微處理器同時發啟數據傳送（總線控制權）的沖突，并決定由哪一臺微處理器控制總線。I2C總線允許連接不同傳送速率的設備，多臺設備之間時鐘信號的同步過程稱為同步化。

2. I2C數據傳輸
在I2C總線傳輸過程中，將兩種特定的情況定義為開始和停止條件（如圖3）：當SCL保持“高”，SDA由“高”變為“低”時為開始條件；SCL保持“高”，SDA由“低”變為“高”是為停止條件。開始和停止條件由主控器產生。使用硬件接口可以很容易地檢測開始和停止條件，沒有這種接口的微機必須以每時鐘周期至少兩次對SDA取樣以使檢測這種變化。