一文看懂I2C(FPGA实测I2C波形)
wcc149 2021-03-25


  • I2C是什么
  • 5种速率
  • 4种信号
  • 读写时序
  • 7位和10位地址
  • I2C保留字节
  • FPGA实测I2C波形
  • SPI和I2C的对比

I2C是什么

在消费电子,工业电子等领域,会使用各种类型的芯片,如微控制器,电源管理,显示驱动,传感器,存储器,转换器等,他们有着不同的功能,有时需要快速的进行数据的交互,为了使用最简单的方式使这些芯片互联互通,于是I2C诞生了,I2C( Inter-Integrated Circuit)是一种通用的总线协议。它是由Philips(飞利浦)公司,现NXP(恩智浦)半导体开发的一种 简单的双向两线总线协议标准。对于硬件设计人员来说,只需要 2个管脚,极少的连接线和面积,就可以实现芯片间的通讯,对于软件开发者来说,可以使用同一个I2C驱动库,来实现实现不同器件的驱动,大大减少了软件的开发时间。极低的工作电流,降低了系统的功耗,完善的 应答机制大大增强通讯的可靠性。 

多主多从

5种速率

I2C协议可以工作在以下5种速率模式下,不同的器件可能支持不同的速率。
  • 标准模式(Standard):100kbps
  • 快速模式(Fast):400kbps
  • 快速模式+(Fast-Plus):1Mbps
  • 高速模式(High-speed):3.4Mbps
  • 超快模式(Ultra-Fast):5Mbps(单向传输)

 

I2C速率模式【bps:bit/s,即SCL的频率】其中超快模式是 单向数据传输,通常用于LED、LCD等不需要应答的器件,和正常的I2C操作时序类似,但是 只进行写数据,不需要考虑ACK应答信号。

超快模式在I2C协议的官方文档 NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6,超快模式和其他模式在3.2和3.1章节分别进行介绍。

4种信号

I2C协议最基础的几种信号: 起始、停止、应答和非应答信号
  • 起始信号
I2C协议规定,SCL处于高电平时,SDA由高到低变化,这种信号是起始信号。
  • 停止信号
I2C协议规定,SCL处于高电平,SDA由低到高变化,这种信号是停止信号。 起始和停止信号
  • 数据有效性
I2C协议对数据的采样发生在 SCL高电平期间,除了起始和停止信号,在数据传输期间,SCL为高电平时,SDA必须 保持稳定,不允许改变,在SCL低电平时才可以进行变化。 

数据有效性

  • 应答信号
I2C最大的一个特点就是有完善的 应答机制,从机接收到主机的数据时,会回复一个应答信号来通知主机表示“ 我收到了”。应答信号出现在1个字节传输完成之后,即第9个SCL时钟周期内,此时主机需要释放SDA总线,把总线控制权交给从机,由于上拉电阻的作用,此时总线为高电平,如果从机正确的收到了主机发来的数据,会把SDA拉低,表示应答响应。 

应答信号使用MCU、FPGA等控制器实现时,需要在第9个SCL时钟周期把SDA设置为 高阻输入状态,如果读取到SDA为低电平,则表示数据被成功接收到,可以进行下一步操作。

  • 非应答信号
当第9个SCL时钟周期时,SDA保持高电平,表示 非应答信号 非应答产生非应答信号可能是主机产生也可能是从机产生,产生非应答信号的情况主要有以下几种:
  1. I2C总线上没有主机所指定地址的从机设备
  2. 从机正在执行一些操作,处于忙状态,还没有准备好与主机通讯
  3. 主机发送的一些控制命令,从机不支持
  4. 主机接收从机数据时,主机产生非应答信号,通知从机数据传输结束,不要再发数据了

读写时序

向指定寄存器地址写入指定数据操作时序: 写时序从指定寄存器地址读取数据操作时序: 

读时序注意,读数据时有两次起始信号。

7位和10位地址

大多数I2C器件支持 7位地址模式,有一些器件还支持 10位地址,而且两种类型的器件可以连接在同一个I2C总线上,目前10位地址的器件 还没有被广泛使用。主机发送,从机接收。使用10位地址进行写时序: 

10位地址写主机接收,从机发送。使用10位地址进行读时序: 

10位地址读

I2C保留字节

I2C读写时起始位之后的第一个字节,除了厂商指定的设备地址外,还有一些保留字节,主要有两组0000 xxx和1111 xxx,保留字节的含义: 

保留字节上述的10位地址模式,就是使用到了最后一种 保留字节。第一种广播模式,可以通过写入第二个字节06h来 复位I2C总线上所有的从机器件


具体操作时序可以查看文档 

NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6  


3.1.12 Reserved addresses


章节有详细介绍。其中device ID控制字(1111 1xx1),可以读取I2C器件内部的 24位器件ID,通过对照NXP I2C协议器件列表可以查询到器件所属的 厂商和型号 24位ID设备ID与器件厂商对应表

 

ID与厂商对照

FPGA实测I2C波形

FPGA实现、、I2C等串行时序,最常用的实现方式就是 状态机大法,将各个步骤分解为各个状态,然后根据不同的状态去控制输出或读取输入,细节方面需要考虑数据的对齐、建立和保持时间、一些异常情况时状态的跳转,不能进入死循环,或卡死在某一个状态。I2C控制状态机状态定义:
    //general S0_IDLE       =  0,
     
S1_START1     =  1,
     
S2_CTRL_BYTE1 =  2,
     
S3_ACK1       =  3,
     
S4_ADDR       =  4,
     
S5_ACK2       =  5, //write: 0-1-2-3-4-5->6-7-13-14 S6W_DATA      =  6,
     
S7W_ACK3      =  7, //read: 0-1-2-3-4-5->8-9-10-11-12-13-14 S8R_START2     =  8,
     
S9R_CTRL_BYTE2 =  9,
     
S10R_ACK3      =  10,
     
S11R_DATA      =  11,
     
S12R_NACK      =  12, //general S13_STOP       =  13,
     
S14_DONE       =  14,
     
S15_ERR        =  15;
注意 SDA双向端口的方向控制。
    output eeprom_scl,
     
inout eeprom_sda,
     

     
localparam DIR_IN  =  1'b0;
     
localparam DIR_OUT = !DIR_IN;
     

     
reg dir;
     
reg i2c_sda;
     
reg i2c_scl;
     

     
assign eeprom_scl = i2c_scl;
     
assign eeprom_sda = (dir == DIR_OUT) ? i2c_sda :  1'bz;
     

     
wire sda_in = eeprom_sda;
SDA应该在 第9个SCL时钟周期设置为输入状态: SDA方向控制下图的波形是使用Xilinx FPGA对 AT24C1024的驱动,使用片上逻辑分析仪ChipScope抓取的实际波形,AT24C1024B存储空间为1024K Bit = 131072 Byte,存储单元地址位宽为17位。AT24C1024B写时序: i2c_writeAT24C1024B读时序: 

i2c_read

SPI和I2C的对比

  • I2C是 半双工,是全双工。
  • I2C支持 多主多从模式,而 SPI只能有一个主机。
  • 从GPIO占用上来看,I2C占用 更少的GPIO,更节省资源。
  • I2C 有应答响应机制,数据可靠性更高, SPI没有应答机制。
  • I2C速率 不会太高,最高速率3.4Mbps,SPI可以达到很高的速率。
  • I2C通过 器件地址来选择从机,从机数量的增加不会导致GPIO的增加,而SPI通过CS选择从机,每增加一个从机就要多占用一个GPIO。
  • SPI协议在SCLK边沿进行数据采样,I2C在 SCL高电平期间进行数据采样。
  • 两者大多都应用于板内器件 短距离通讯

官方标准文档下载

目前网上比较详细的介绍I2C文档主要有以下3个:
1. I2C官方标准文档_UM10204
I2C的官方文档是原飞利浦(Philips)半导体事业部,现恩智浦(NXP)半导体发布的UM10204文档,全文共64页,是目前最权威最详细的I2C协议介绍文章,最新版本Rev. 6发布于20140404, UM10204_4 April 2014: I2C-bus specification and user manual_Rev.6

2. TI:理解I2C文档_SLVA704
TI在2015年发布了一篇SLVA704文档, 全文共8页,精简的概括了I2C协议的电气特性,操作时序,读写时序等,比较适合I2C入门学习。
3.  ZLG:I2C总线规范中文版
这篇文档发布于2000年左右,是对飞利浦官方文档UM10204_v2.1的翻译。

 

I2C协议文档只是最基础的文档,具体寄存器读写操作等操作,还是要结合所使用芯片的数据手册来使用。

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • 工业
  • 安防
  • 航空
  • CAN
  • 电动机耗能的7大表现

    电动机耗能的表现主要在以下几方面:1、电机负载率低由于电动机选择不当、冗余量过大或生产工艺变化,使得电动机的实际工作负荷远小于额定负荷。约有占装机容量30%~4

    10小时前
  • 电机的正确的技术维护

    电动机在运行中避免烧毁,除了运行前采取必要的各种技术保护措施外,最有效、最实际的防止方法是进行正确的技术维护。主要有以下6点:1.经常保持电动机的清洁,电动机在

    昨天
  • 电机轴向振动排查方法

    振动原因1、电磁方面电源方面:三相电压(不平衡,三相电动机缺相运行)。定子方面:铁芯变椭圆、偏心、松动,绕组断线、接地击穿、匝间短路,接线错误三相电流不平衡。转

    01-25
  • 电机运行的保护原理

    1、过载保护当电动机在过负载故障下,长时间超过其额定电流运行时,会导致电动机过热,绝缘降低而烧毁,保护器根据电动机的发热特性,计算电动机的热容量,模拟电动机发热

    01-25
  • 多图解析各种电机的结构

    从本文开始,我们将介绍各种电机的结构、工作原理和驱动方法。首先是有刷电机。有刷电机的结构下面是经常在模型中使用的有刷直流电机的外观,以及普通的两极(2个磁体)三槽(3个线圈)型电机的分解示意图。也许很

    01-21
  • 永磁电机存在哪些缺点

    永磁电机(PMM)通过定子电流与转子上或转子内永磁体的相互作用产生转矩。小型低功耗电机用于IT设备,表面转子磁体常用于商用机器和汽车辅助设备,而内部磁体(IPM

    01-20
  • 各种电机控制电路的原理图

    本文主要给大家介绍一下控制电机的几种控制电路原理图,覆盖了各种电机控制形式。1、电动机的点动控制原理图。2、电动机的连续运转控制线路原理图(自锁)。3、电动机的

    01-20
  • LED城市路灯与红绿灯控制系统结合方案

      摘要:针对目前城市路灯照明系统存在的问题,如自动化管理水平还不很高、系统可靠性不高、能耗高等,提出了一个较为完善的路灯综合节能控制系统。即将LED路灯装置与

    01-20
  • ARM架构的联网工业控制模式

      运营现代化的工厂和加工车间,在技术上都非常复杂。为实现对机械设备和生产过程的精确控制,生产企业需要采用最新系列的传感器、致动器以及伺服系统。作为添加技术以获

    01-20
  • 能限电和防火控制器的设计

      摘要:为避免学生宿舍内因使用大功率违章电器导致用电线路过载过热而引发火灾等隐患和漏电导致的接地、电孤短路等引起火灾事故,设计了以瑞萨单片机为控制核心的用电安

    01-19
  • 智能功率模块(IPM)电机控制

    在工业化国家,电机消耗的电力超过50%。这些电动机中至少有80%是交流感应电机(ACIM),平均能效仅44%。不断上涨的电力成本正在缓慢推动法规和准则要求提高住

    01-18
  • 电机驱动器中的集成电流感应

    许多刷式和步进电机应用必须对电流进行监控和调节。对于刷式电机,电流信息可用来确定负载条件的变化或用来限制启动和失速电流。对于步进电机,高级别的微步进需要调节每一

    01-18
下载排行榜
更多
广告
X
广告