I2C总线的工作原理及使用方法详细分析

大家好，通过前一期的学习，我们已经对ICD2 仿真烧写器和增强型PIC 实验板的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了如何用单片机来控制发光管、继电器、蜂鸣器、按键、数码管、RS232 串口、步进电机、温度传感器等资源，体会到了学习板的易用性与易学性，看了前几期实例，当你实验成功后一定很兴奋，很有成就感吧！现在我们就趁热打铁，再向上跨一步，一起来学习一下I2C 总线的工作原理及使用方法，这样我们可以将一些我们要保存的数据存储到I2C总线的非易失存储器中，实现断电保持的功能，比如：你设置了一个密码，但不至于这个设备断过电以后就要重新设置过，我们可以将密码数据写在非易失存储器里面，还有如汽车的量程表的读数是不断累计的，可以通过不断访问I2C 存储器实现。

一、I2C总线特点

I2C 总线是主从结构，单片机是主器件，存储器是从器件。一条总线可以带多个从器件（ 也可以有多主结构），I2C 总线的SDA 和SCL 是双向的，开路门结构，通过上拉电阻接正电源。进行数据传输时，SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平状态只有在SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变，如图1 所示。

图1 数据位的有效性规定

在SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换表示起始条件；当SCL 是高电平时SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件如图2 所示。

图2 起始和停止信号

发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位。

可以由高位到低位传输多个字节。每个字节后必须跟一个响应位（ACK）。响应时钟脉冲由主机产生。主机释放SDA 线从机将SDA 线拉低，并在时钟脉冲的高电平期间保持稳定。如图3 示。当主机接受数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由主机对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA 线，以允许主机产生终止或重复起始信号。

图3 字节格式与应答

二、数据帧格式

（1）主机向从机发送数据，数据的传送方向在传输过程中不改变，如图4 所示。

图4 主机向从机发送数据

注：阴影部分：表示主机向从机发送数据；无阴影部分：表示主机向从机读取数据。

A：表示应答；：表示非应答。S：起始信号；P ：终止信号。

（2）主机在第一个字节后，立即向从机读取数据，如图5 所示。

图5 主机在第一个字节后立即读从机

（3）复合格式，如图6 所示。传输改变方向的时候，起始条件和从机地址都会被重复，但R/ W-位取反。如果主机接收器发送一个停止或重复起始信号，它之前应该发送了一个不响应信号（）。

图6 复合格式

由以上格式可见，无论哪种传输方式，起始信号、终止信号和地址均由主机发出（图中阴影部分），数据字节的传送方向则由寻址字节中的方向位规定，每个字节的传送都必须有应答位（A 或）。

下面通过24C02 实例在增强型PIC 实验板上编程，其硬件原理图如图7 所示，U7 为实验板上24C02 芯片，SDA 与单片机的RB5 口相连，SCL 与单片机RB4 相连，七段数码管D5、D7、D8 组成了显示单元，字形码的数据通过RC 口送入，各数码管的显示片选信号分别不同的RA 口进行控制。

图7 读/ 写AT24C 系列存储器原理图

在MPLab IDE 软件中新建工程，加入源程序代码，同时进行芯片型号的选择和配置位的设置，我们实验所用的芯片型号为PIC16F877A。

编写的程序代码如下，其中程序流程图如图8 所示。

三、软件流程图

图8 I2C 总线读/ 写数据流程图

四、软件代码

/**********/

/* 目标器件：PIC16F877A */

/* 晶振：4.0MHZ */

/* 编译环境：MPLAB V7.51 */

/**********/

/**********

包含头文件

**********/

#include

/**********

数据定义

**********/

#define address 0xa

#define nop（） asm（"nop"）

#define OP_READ 0xa1

// 器件地址以及读取操作

#define OP_WRITE 0xa0

// 器件地址以及写入操作

/**********

端口定义

**********/

#define SCL RB4

#define SDA RB5

#define SCLIO TRISB4

#define SDAIO TRISB5

/**********

共阴LED 段码表

**********/

const char table[]={0xC0,0xF9,0xA4,0x

B0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x

83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E};

/**********

函数功能： 延时子程序

**********/

void delay（）

{

int i;

for（i=0;i<100;i++）

{;}

}

/**********

函数功能： 开始信号

**********/

void start（）

{

SDA=1;

nop（）；

SCL=1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SDA=0;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SCL=0;

nop（）；nop（）；

}

/**********

函数功能： 停止信号

**********/

void stop（）

{

SDA=0;

nop（）；

SCL=1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SDA=1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

}

/**********

函数功能： 读取数据

出口参数：read_data

**********/

unsigned char shin（）

{

unsigned char i,read_data;

for（i=0;i<8;i++）

{ nop（）；nop（）；nop（）；

SCL=1;

nop（）；nop（）；

read_data《=1;

if（SDA == 1）

read_data=read_data+1;

nop（）；

SCL=0;

}

return（read_data）；

}

/**********

函数功能： 向EEPROM 写数据

入口参数：write_data

出口参数：ack_bit

**********/

bit shout（unsigned char write_data）

{

unsigned char i;

unsigned char ack_bit;

for（i = 0; i < 8; i++）

{

if（write_data&0x80）

SDA=1;

else

SDA=0;

nop（）；

SCL = 1;

nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；nop（）；

SCL = 0;

nop（）；

write_data 《= 1;

}

nop（）；nop（）；

SDA = 1;

nop（）；nop（）；

SCL = 1;

nop（）；nop（）；nop（）；

ack_bit = SDA; // 读取应答

SCL = 0;

nop（）；nop（）；

return ack_bit;

// 返回AT24Cxx 应答位

}

/**********

函数功能： 向指定地址写数据

入口参数：addr,write_data

**********/

void write_byte（unsigned char addr,

unsigned char write_data）

{

start（）；

shout（OP_WRITE）；

shout（addr）；

SDAIO = 0;

// 在写入数据前SDA 应设置为输出

shout（write_data）；

stop（）；

delay（）；

}

/**********

函数功能： 向指定地址读数据

入口参数：random_addr

出口参数：read_data

**********/

unsigned char read_random（unsigned

char random_addr）

{ unsigned char read_data;

start（）；

shout（OP_WRITE）；

shout（random_addr）；

start（）；

shout（OP_READ）；

SDAIO = 1;

// 读取数据前SDA 应设置为输入

read_data = shin（）；

stop（）；

return（read_data）；

}

/**********

函数功能： 显示子程序

入口参数：k

**********/

void display（unsigned char k）

{

TRISA=0X00;

// 设置A 口全为输出

PORTC=table[k/1000];

// 显示千位

PORTA=0xEF;

delay（）；

PORTC=table[k/100%10];

// 显示百位

PORTA=0xDF;

delay（）；

PORTC = table [k/ 10%10] ;

// 显示十位

PORTA=0xFB;

delay（）；

PORTC=table[k%10]; // 显示个位

PORTA=0xF7;

delay（）；

}

/**********

函数功能： 主程序

**********/

void main（）

{

unsigned char eepromdata;

TRISB=0X00;

OPTION&=~（1《7）；

// 设置RB 口内部上拉电阻有效

TRISC=0X00;

PORTB=0X00;

PORTC=0xff;

TRISA=0X00;

eepromdata=0;

write_byte（0x01,0x55）；

// 向0x01 地址写入0x55（85） 的数据

delay（）；

write_byte（0x02,0xaa）；

// 向0x02 地址写入0xAA（170） 的数据

delay（）；

eepromdata=read_random（0x02）；

// 读取其中一个地址内的数据来验证

while（1）

{

display（eepromdata）；

}

}

编好程序后将编译好的HEX 码通过ICD2仿真烧写器烧入单片机芯片，上电运行，主程序中在0x01 地址写入了“0x55”， 在0x02 地址写入了“0xaa”，然后在while 循环中读出0x02地址的值，也就是我们之前写入的“0x55”，读出后显示在数码管上，我们可以看到数码管显示“170”，即“0xaa”相应的十进制数。

作为初学者的读者一定对有些语句会有点疑问，可以看程序中的注释部份，24c 系列IC 数据手册和源程序相结合来进行分析。