51单片机——I2C总线
目录
1.概述
2.I2C总线通信协议
3.I2C总线的数据传送格式
3.1 单字节数据传送格式
3.2 多字节数据传送格式
4.I2C总线存储器24C02（E2PROM）
4.1 外形与引脚功能说明
4.2 器件地址的设置
4.3 读/写操作
4.3.1 写操作
4.3.2 读操作
1.概述
I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行通信总线，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。
I2C总线可以将单片机与其他具有I2C总线通信接口的外围设备连接起来，如图1所示，通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线与连接到该双线的器件传递信息。每个I2C器件都有一个唯一的识别地址（I2C总线支持7位和10位地址），而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定，比如 LCD 驱动器只能作为接收器，而存储器则既可以作为接收器接收数据，也可以用作发送器发送数据）。I2C器件在执行数据传输时也可以看作是主机或从机，主机是初始化总线数据传输并产生允许传输时钟信号的器件，此时任何被寻址的其他I2C器件都被认为是从机。
图1 单片机通过I2C总线连接多个I2C器件
I2C总线有标准（100kbit/s），快速（400kbit/s）和高速（3.4Mbit/s）三种数据传输速度模式，支持高速模式的可以向下支持低速模式。I2C总线连接的I2C器件数量仅受到总线的最大电容400pF限制，总线连接的器件越多，连线越长，分布电容越大。
在图1中，如果单片机需要往I2C器件3写入数据，会先从SDA数据线送出I2C器件3的地址，挂在总线上众多的器件只有I2C器件3与总线接通，单片机再将数据从SDA数据线送出，该数据则被I2C器件3接收。这里的单片机是主机兼发送器，I2C器件3及其他器件均为从机，I2C器件3为接收器。
2.I2C总线通信协议
通信协议是通信各方必须遵守的规则，否则通信无法进行，在编写通信程序时需要了解相应的通信协议。
I2C总线通信协议主要内容有：
① 总线空闲：SCL和SDA线均为高电平。
② 开始信号：在SCL为高电平时，SDA出现下降沿，该下降沿即为开始信号。
③ 数据传送：开始信号出现后，SCL线为高电平时从SDA线读取的电平为数据；SCL线为高电平时，SDA线的电平不允许变化，只有SCL为低电平时才可以改变SDA的电平；SDA线传送数据时，从高位到低位逐位进行，一个SCL脉冲高电平对应1位数据。
④ 停止信号：SCL为高电平时，SDA出现上升沿，该上升沿为停止信号，停止信号过后，总线被认为空闲（SCL、SDA均为高电平）。
3.I2C总线的数据传送格式
I2C 总线可以一次传送单字节数据，也可以一次传送多字节数据，不管是传送单字节还是多字节数据，都要在满足协议的前提下进行。
3.1 单字节数据传送格式
I2C总线的单字节数据传送格式如图2所示，传送单字节数据的格式为“开始信号传送的数据（从高位到低位）-应答（ACK）信号-停止信号”。
图2 I2C总线的单字节数据传送格式
在传送数据前，SCL、SDA线均为高电平（总线空闲），在需要传送数据时，主机让SDA线由高电平变为低电平，产生一个下降沿（开始信号）去从机，从机准备接收数据，然后主机从 SCL 线逐个输出时钟脉冲信号，同时从SDA线逐位（从高位到低位）输出数据，只有SCL脉冲高电平到从机时，从机才读取 SDA线的电平值（0或1），并将其作为一位数据值，8位数据传送结束后，接收方将SDA线电平拉低，该低电平作为ACK应答信号由SDA线送给发送方，ACK信号之后可以继续传送下一个字节数据，若只传送单字节数据，在SCL线为高电平时，SDA 线由低电平变为高电平形成一个上升沿，该上升沿即为停止信号，本次数据传送结束。
3.2 多字节数据传送格式
为了提高工作效率，I2C总线往往需要一次传送多个字节。图3是典型的I2C总线多字节数据传送格式，该多字节数据的格式为“开始信号-第1个字节数据（7位从机地址+1位读/写设定值）-应答信号-第2个字节数据（8位从机内部单元地址）-应答信号-第3个字节数据（8位数据）-应答信号（或停止应答信号）-停止信号”。
图3 I2C总线的多字节数据传送格式
图3传送了三个字节数据，第1个字节数据为从机的地址和数据读写设定值，由于I2C总线挂接很多从机，传送从机地址用于选中指定的从机进行通信，读写设定值用于确定数据传输方向（是往从机写入数据还是由从机读出数据），第2个字节数据为从机内部单元待读写的单元地址（若传送的数据很多，则为起始单元的地址，数据从起始单元依次读写），第3个字节为8位数据，写入第1、2字节指定的从机单元中。在传送多字节数据时，每传送完一个字节数据，接收方需要往发送方传送一个ACK信号（接收方将SDA线电平拉低），若一个字节传送结束后接收方未向发送方返回 ACK信号，发送方认为返回的是NACK（停止应答）信号，则停止继续传送数据。
4.I2C总线存储器24C02（E2PROM）
24Cxx系列芯片是采用了I2C总线标准的常用E2PROM（电可擦写只读存储器）存储芯片，其中24C02最为常用，24C02存储容量为256×8bit（24C01、24C04、24C08、24C16分别为128×8bit、512×8bit、1024×8bit、2048×8bit）,24C02芯片的每个字节可重复擦写100万次，数据保存期大于100年。
4.1 外形与引脚功能说明
24C02的外形与引脚功能如图4所示，引脚功能说明见表1。
图4 24C02的外形与引脚功能
表1 24C02引脚功能说明
4.2 器件地址的设置
当24C02和其他器件挂接在I2C总线时，为了区分它们，需要给每个器件设定一个地址，该地址即为器件地址，挂在同一I2C总线上的器件地址不能相同。24C02有A0、A1、A2三个地址引脚，可以设置8个不同的器件地址，24C02的器件地址为7位，高4位固定为1010，低3位由A0、A1、A2引脚电平值决定。24C02的器件地址设置，如图5所示，当A0、A1、A2引脚都接地时，器件地址设为1010000，当A0、A2引脚接地，A1引脚接电源时，器件地址设为1010010。
图5 24C02器件地址的设置
4.3 读/写操作
4.3.1 写操作
24C02的写操作分为单字节写操作和页写操作。
（1）单字节写操作
24C02单字节写操作的数据格式如图6所示。主器件发送开始信号后，再发送7位器件地址和1位读写信号（写操作时读写信号为0），被器件地址选中的24C02往主器件发送一个ACK信号，主器件接着发送8位字节地址给24C02选中其内部相应存储单元，24C02往主器件发送一个ACK信号，主器件马上发送一个字节数据给24C02,24C02往主器件发送一个 ACK 信号，当主器件发出停止信号后，24C02开始将主器件发送来的数据写入字节地址选中的存储单元。
图6 24C02单字节写操作的数据格式
（2）页写操作
页写操作即多字节写操作，24C02可根据需要一次写入2～16个字节数据。24C02页写操作的数据格式（一次写入16个字节数据时）如图7所示。
图7 24C02页写操作的数据格式（一次写入16个字节数据时）
主器件发送开始信号后，再发送7位器件地址和读写信号，被器件地址选中的24C02往主器件发送一个ACK信号，主器件接着发送第1个字节数据的地址给24C02,24C02往主器件发送一个ACK信号，主器件发送第1个字节数据给24C02,24C02往主器件发送一个ACK信号，主器件发送第2个字节数据给24C02,24C02往主器件发送一个ACK信号，当主器件将第16个字节数据发送给24C02,24C02往主器件发送一个ACK信号，待主器件发出停止信号后，24C02开始将主器件发送来的16个字节数据依次写入以第一个字节数据地址为起始地址的连续16个存储单元中。如果在第16个字节数据之后还继续发送第17个字节数据，第17个字节数据将覆盖第1个字节数据写入的第1个字节地址，后续发送字节数据将依次覆盖先前的字节数据。
4.3.2 读操作
24C02的读操作分为立即地址读操作、选择读操作和连续读操作。
（1）立即地址读操作
立即地址读操作是指不发送字节地址而是直接读取上次操作地址 N 之后的地址 N+1的数据，24C02的N值为0～255（00H～FFH），如果上次操作地址N＝255，立即地址读操作会跳转读取地址0的数据。24C02立即地址读操作的数据格式如图8所示。
图8 24C02单字节写操作的数据格式
主器件发送开始信号后，再发送7位器件地址和读写信号（读操作时读写位为1），被器件地址选中的24C02首先往主器件发送一个ACK信号，再往主器件发送一个字节数据，主器件无须发出ACK信号应答，但要发出一个停止信号给24C02。
（2）选择读操作
选择读操作是指读取任意地址单元的字节数据。24C02选择读操作的数据格式如图9所示。
图9 24C02选择读操作的数据格式
主器件先发送开始信号和7位器件地址，再发一个低电平读写信号执行伪写操作（以便将后续的n单元字节地址发送给24C02），被器件地址选中的24C02往主器件发送一个ACK信号，主器件接着发送n单元字节地址，从器件回复一个ACK信号，主器件又发送开始信号和7位器件地址，再发一个高电平读写信号执行读操作，从器件回复一个ACK信号，并将n单元的字节数据发送给主器件，主器件无须发出ACK信号应答，但要发出一个停止信号给24C02。
（3）连续读操作
连续读操作是指从指定单元开始一次连续读取多个字节数据。在进行立即地址读操作或选择读操作时，如果24C02每发送完一个字节数据后，主器件都回复一个ACK信号，24C02就会连续不断将后续单元的数据发送给主器件，直到主器件不回复 ACK 信号，才停止数据的发送，主器件发出停止信号后则结束本次连续读操作。连续读操作由立即地址读操作或选择读操作启动。图10（a）是由立即地址读操作启动的连续读的数据格式，24C02内部有256个字节存储单元，如果24C02将第256个字节单元（地址为FFH）的数据传送给主器件后，主器件继续回复ACK信号，24C02就会从头开始将第1个存储单元（地址为00H）的数据传送给主器件。图10（b）为由选择读操作启动的连续读的数据格式。
图10 24C02连续读操作的数据格式
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