原创 I2c总线原理及其在单片机接口中的应用实例

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I<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />2c总线原理及其在单片机接口中的应用实例

The Principle of  I2C-Bus and its Realization in MCU Interface

摘要：本文介绍了I2C总线的结构及通信原理，并以串行芯片E2PROM存储芯片AT24C02为例，给出了在单片机上，利用基本I/O口实现I2C总线的方法。

关键词：I2C  AT24C02

I2C总线介绍：

I2C总线是英文INTER IC BUS或 IC TO IC BUS的简称，十多年前由PHILIPS公司推出，是近年来微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准，它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方便简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，所有I2C兼容的器件都具有标准的接口，通过地址来识别通信对象，使它们可以经由I2C总线互相直接通信。

I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率为400kb/s，各种被控电路均并联在这条总线上，每个电路都有唯一的地址。在信息的传输过程当中，I2C总线上并联的每一个模块电路既是被控器（或是主控器），又是发送器（或是接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和数据码两部分：地址码用来选址，及接通需要控制的电路；数据码是通信的内容，这样各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立。

I2C总线的数据传输：

在传输数据开始前，主控器件应发送起始位，通知从器件做好接收准备；在传输数据结束时，主控器件应发送停止位，通知从器件停止接收，

起始位时序：当SCL位为高位时，SDA线由高到低的转换。

停止位时序：当SCL位为高位时，SDA线由低到高的转换。

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SDA上的数据在时钟高电平期间必须保持稳定，在SCL低电平期间才可以改变，输出到SDA 线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节不受限制，每个字节必须有一个确认位（又称应答位ACK），与确认位对应的时钟脉冲由主控器产生，发送器在应答期间必须拉低SDA线。

SDA线连续写操作数据状态为：(S表示开始信号START，A表示应答信号ACK，P表示停止信号STOP )

SDA线连续读操作数据状态为：

AT24C02与80C51的连接及模拟软件程序

AT24CXX系列芯片是采用I2C总线标准的常用串行E2PROM存储芯片，AT24C02是其中之一，它具有2KBITS（256BYTE）的存储容量，工作于从器件方式，页写的最大8个字节，而且此系列片内地址在接收到每一个数据字节后自动加1，故装载一页以内数据字节时，只需输入首地址，如果写到此页的最后一个字节，主器件继续发送数据，数据将从该页的首地址写入而造成数据丢失。

                                     图1    51单片机与AT24C02的连接电路图

解决办法是：在第8个数据后将地址强制加一，或是将下一页的 首地址付给寄存器。

数据传送格式是以主设备发送启动信号开始，跟着发送第一字节，此字节的高7位为从设备地址，最低位为指明数据传送方向的R/W（读写）位，该位为0表示主设备向从设备发送数据，为1表示从设备向主设备发送数据。如果地址的高4位不是全0或全1，则接着就可发送所需的数据字节。

        总线每次传送的字节数没有限制，但是各字节之间必须插入一个应答位，数据字节从最高位开始发送，全部数据发送完后，就发送停止信号完成一次数据传送。应答位是在发送每个字节之后主设备发出的第9个时钟脉冲的高电平期间，由接收设备拉低SDA，以这一低电平作为数据字节已被接受的应答，发送设备也于此期间释放（拉高）SDA线。

51单片机与AT24C02的连接电路原理图如图1所示，A2~A0为地址引脚（按照000~111的顺序与VCC和GND相连，因只用了一片，所以将A2A1A0设置为000），WP为写保护引脚，因AT24C02不具备写保护的功能，将其接地，

以下是完整的I2C读写程序，在写串行E2PROM子程序E2PW中，（R3）=器件地址，（R4）=片内字节地址，（R1）=欲写数据存放地址指针，（R7）=连续写字节数N；在读串行E2PROM子程序E2PR中，（R1）=欲读数据地址指针，（R3）=器件地址，（R4）=片内字节地址，（R7）=连续读字节数，

SDA  BIT P2.1                                                                                                  

SCL   BIT P2.0

ORG 0000H

AJMP INIT

ORG 0100H

INIT:  CLR RS0

           CLR RS1

           MOV R1,#30H

           MOV A,#50H

           MOV R7,#08H

           MOV R3,#0A0H

           MOV R4,#00H

LOOP: MOV @R1,A

            INC R1

            INC A

            DJNZ R7,LOOP           ;初始化存储器的值，将数据50H~57H发送到内部30H~37H单元

E2PW:MOV P2,#0FFH   ;      置p2.0, p2.1 均为1

           CLR P2.1  ;                  发开始信号

           MOV A,R3;              送器件地址

           ACALL SUBS      

           MOV A,R4;              送片内字节地址

           ACALL SUBS             调发送单字节子程序

           MOV R1,#30H

           MOV R7,#08H   ;        AT24C02一次可装载的字节数为8个

AGAIN:MOV A,@R1

             ACALL SUBS

             INC R1

             DJNZ R7,AGAIN;     发送8个字节到IIC模块

             CLR P2.1          ;        发送完8个数据后，先将SDA拉低，准备发停止位

             ACALL DELAY

             SETB P2.0      ;          将SCL拉高

             ACALL DELAY

             SETB P2.1      ;          在由主设备将SDA拉高，送出停止位   

           MOV R7,#08H ；        再一次给R7赋值，准备读数据

E2PR: MOV R1,#40H

           MOV P2,#0FFH ；     置p2.0, p2.1 均为1

           CLR P2.1；                 发开始信号

           MOV A,R3；              发器件地址

           ACALL SUBS；         调发送单字节子程序

           MOV A,R4；              送片内字节地址

           ACALL SUBS

           MOV P2,#0FFH;        置p2.0, p2.1 均为1

           CLR P2.1；                再发开始信号

           MOV A,R3

           SETB ACC.0；          发读命令

      ACALL SUBS

MORE: ACALL SUBR   ;     进入读数据模式

      MOV @R1,A

      INC R1

      DJNZ R7,MORE;            读8个字节到内部40H~47H

      CLR P2.1

      ACALL DELAY

      SETB P2.0

      ACALL DELAY

      SETB P2.1；                   送停止信号

      ajmp $

SUBS: MOV R0,#08H；发送单字节子程序

LOOP1: CLR  P2.0  ;      只有在SCL为低电平时才能改变SDA的值

              RLC A

              MOV P2.1 ,C

              NOP

              SETB P2.0 ;       SCL置1，保持数据

              ACALL DELAY;   需要保持一段时间

              DJNZ R0,LOOP1；循环8次送8个位

              CLR P2.0

              ACALL DELAY

              SETB P2.0     ;        进入第9个时钟脉冲

 REP:    JB P2.1,$;                 判断答到否，未到则等待。这里SDA由接受端拉低

             CLR P2.0

RET

DELAY:         MOV R5,#20H；为满足传输速率要求延时子程序

DELAY2:       MOV R6,#10H

DELAY3:       DJNZ R6,DELAY3

                DJNZ R5,DELAY2

                  RET

SUBR:   MOV R0,#08H；    接收单字节子程序

LOOP2:SETB P2.0        ；    直接将SCL置1，准备接收

             ACALL DELAY

             MOV C, P2.1

             RLC A              ；     将收到的位循环到0位上

             CLR P2.0

             ACALL DELAY

             DJNZ R0,LOOP2

     CJNE R7 ,#01H, LOWA

     SETB P2.1；           若是最后一个字节，置SDA=1

             AJMP SETOK

LOWA:   CLR P2.1；            否则置SDA=0

SETOK: ACALL DELAY

               SETB P2.0

               ACALL DELAY

       CLR P2.0

       ACALL DELAY

       SETB P2.1；                    应答完毕，SDA置1

       RET

END

注意在接收的时候，应该在SCL高电平时，即保持时间段时读数据。

结束语：

随着I2C总线在通信，控制等方面的普遍应用，本文以实例的方式给出了I2C总线在单片机上的实现方法，具有一定的实用性与可移植性。