英创信息技术I2C接口协议的简介与用途

I2C总线介绍

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由Philips公司开发的一种双向二线制同步串行总线，它只需要两条线（SDA，SCL）即可在连接于总线上的器件之间传送信息。I2C总线的工作速率有100k、400k和4M三种，支持多机通讯，支持多主控模块但同一时刻只允许有一个主控端。

SCL（Serial Clock）：边沿触发方式，上升沿将数据输入到EEPROM，下降沿驱动EEPROM输出数据。

SDA（Serial Data Line）：双向数据线，OD门，每次传输8bit。

成都英创ETA202 I2C矩阵键盘扩展模块

I2C总线中主要定义如下：

发送机（Transmitter）：向总线传输数据的设备。

接收机（Receiver）：从总线接收数据的设备。

主机（Master）：产生时钟、启动发送、发送I2C命令、停止发送的设备。

从机（Slave）：监听总线并且被主机寻址的设备。

多主控（Multi-master）：总线上可以有多个主机，每一个都可以发送命令。

仲裁（Arbitration）：在有多个主机同时尝试控制总线时，只允许其中一个控制总线并使报文不被破坏的过程。

同步（）：两个或多个设备同步时钟信号的过程。

SCL和SDA信号都是双向的，他们通过电阻连接到电源上，总线空闲时两条线都处于高电平状态。I2C总线上的设备都必须有集电极开路或者漏极开路管脚，激活总线意味着拉低其电平。单个总线上的设备数量几乎是无限的，唯一的要求是总线电容不超过400pF。由于逻辑1取决于电源电压的大小，因此没有标准的总线电压。

I2C总线挂载设备示意图

I2C时序分析

总线空闲

SDA和SCL两条信号线都处于高电平，即总线上所有的器件都释放总线，两条信号线的上拉电阻把电平拉高。

启动信号START

时钟信号SCL保持高电平，数据信号SDA的电平被拉低。启动信号必须是跳变信号，而且在建立该信号前必须保证总线处于空闲状态。

停止信号STOP

时钟信号SCL保持高电平，数据线被释放，使SDA返回高电平，停止信号也必须是跳变信号。

I2C启动信号START与停止信号STOP

应答信号ACK

发送器每发送一个字节之后，在时钟的第9个脉冲期间释放数据总线，由接收器发送一个应答信号ACK（将SDA的电平拉低）来表示数据成功接收。

无应答信号NACK

在时钟的第9个脉冲期间发送器释放数据总线，而接收器不拉SDA电平，则表示一个无应答信号NACK，NACK有两种用途：

（1）一般表示接收器未成功接收数据字节。

（2）当接收器是主机时，它收到最后一个字节后，应发送一个NACK信号，以通知从机结束数据发送，并释放总线，以便主机发送停止信号STOP。

数据传输

每个时钟脉冲传输1比特数据。SDA信号只在SCL处于低电平时变化，SCL处于高电平期间，SDA电平必须保持稳定。

I2C数据传输时SDA与SCL电平变化情况

I2C数据传输流程

I2C总线协议

基本工作原理

主设备以启动信号START来掌管总线，以停止信号STOP来释放总线。主设备启动的每一个I2C命令均以START开始，以STOP结束。

启动信号START后紧接着发送一个地址字节，其中7位为被控器件的地址码，一位为读/写控制位R/W。R/W为0表示主机向从机写数据，R/W为1表示主机从从机读取数据。当从机检测到收到的地址与自己的地址相同时，在第9个时钟期间反馈应答信号。每个数据字节在传送时都是高位（MSB）在前。

I2C基本工作流程

写数据过程

1、主机检测到总线空闲之后，发送启动信号START信号掌管总线。

2、主机发送一个地址字节（包括7位地址码和1位R/W）。

3、当从机检测到主机发送的地址与自己的地址相同以后，发送应答信号（ACK）。

4、主机收到应答信号ACK后，开始发送第一个数据字节。

5、从机收到数据字节后，发送应答信号ACK表示继续传送数据，发送NACK表示数据传送结束。

6、主机发送完全部数据后，发送停止信号STOP，结束通讯并释放总线。

读通讯过程

1、主机检测到总线空闲之后，发送启动START信号掌管总线。

2、主机发送一个地址字节（包括7位地址码和1位R/W）。

3、当从机检测到主机发送的地址与自己的地址相同以后，发送应答信号ACK。

4、主机收到应答信号ACK后释放数据总线，开始接收第一个数据字节。

5、主机收到数据字节后，发送应答信号ACK表示继续传送数据，发送NACK表示数据传送结束。

6、主机完成接收以后，发送停止信号STOP，结束通讯并释放总线。

同步

每个主机必须生成自己的时钟信号，只有当时钟信号电平为低时，数据才能改变。执行总线仲裁必须有同步时钟。当某个主机拉低时钟电平时，时钟会并保持低电平，直到所有主机均将时钟拉至高电平。同样，时钟会处于高电平状态，直到第一个主机将其拉低。这样，通过观察SCL信号，主设备可以同步它们的时钟。

仲裁

对于I2C总线上的正常数据传输过程而言，只允许一个主机进行控制。如果出于某种原因，两个主机同时启动I2C命令，则仲裁过程决定哪个主机获得控制权并且可以继续执行命令。仲裁是通过SDA信号执行的，此时SCL信号处于高电平。每个主机检查总线上的SDA信号是否对应于自己生成的SDA信号。如果总线上的SDA信号应该是高电平但它却处于低电平，那么这个主机就在仲裁过程中失败。仲裁失败的I2C主设备可以产生SCL脉冲直到字节结束，然后必须释放总线并进入从设备模式。仲裁过程可以持续到所有数据传输完毕以后。这意味着在多主机系统中，每个I2C主机必须监控I2C总线并执行相关操作。

I2C总线典型电路

现在的ARM CPU芯片普遍直接支持I2C总线，直接从CPU中将相应管脚引出，即可以外接I2C功能模块或者芯片，然后通过软件进行控制操作。

下图为一个典型的I2C应用扩展（成都英创ETA202 I2C矩阵键盘扩展模块部分电路），使用TCA8418芯片扩展出8x8矩阵键盘。直接将SDA、SCL、键盘中断信号KEY_INT#和复位信号RST#接入芯片，并接上电源和地，即可以控制8x8矩阵键盘。

I2C总线在英创主板平台上的应用

支持I2C接口的芯片都可以直接和英创主板连接，并执行相应的功能。历年来，大量用户使用英创主板进行I2C应用和数据处理，英创也累积了丰富的工程经验。下面整理出了英创网站发表的相关技术文档供用户参考。虽然有一些方案文档中提到的英创主板是较老的型号，用户在新产品开发的时候未必会使用这些老主板产品，但是文中的软硬件使用技巧、编程技巧和方法等技术细节，是值得用户参考或者直接使用的。

使用方法与技巧

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