I2C总线的工作原理和应用

在现代电子设备中，各种传感器、芯片和模块之间的通信至关重要。而I2C（Inter-Integrated Circuit）总线作为一种简单、高效的串行通信协议，已经成为连接各种设备的首选之一。本文将深入探讨I2C总线的工作原理与应用，带您了解这个在电子领域中扮演着重要角色的通信技术。

一、简介

I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发。

由于其简单性，如今方泛用于微控制器与各种功能模块的连接，可以说是学单片机的人，入门之后，必定要涉及到的。

I2C 总线实际上已经成为一个国际标准在超过100 种不同的IC 上实现，而且得到超过50 家公司的许可，正因为其简单和应用广泛，因此其功能也越来不满足人们的要求，其速度也从原来的100Kbit/S，增加了快速模式，其速度达400Kbit/S，再后来也增加了高速模式，其速度更达3.4Mbit/S。

二、功能和特点

I2C总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多少器件，并且通个两根线连接，占用空间非常的小，总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。

它的另一优点是多主控，只要能够进行接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同一时间工作。

I2C总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线），任何时候时钟信号都是由主控器件产生。

I2C总线在传送数据的过程中，主要有三种控制信号：起始信号，结不信号，应答信号。

起始信号：当SCL为高电平时，SDA由高电平转为低电平时，开始传送数据；

结束信号：当SCL为高电平时，SDA由低电平转为高电平时，结束数据传送；

应答信号：接收数据的器件在接收到8bit数据后，向发送数据的器件发出低电平信号，表示已收到数据。这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。总之由接收数据的器件发出。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

三、基本操作

下面我们以ATMEL公司的AT24C02来介绍I2C的基本操作。

AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8bit存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。他在系统中始终为从动器件。

对AT24C02的操作主要有：字节读，字节写，页面读，页面写

首先发送起始信号，如下图，起始信号后必须是控制字。

控制字格式如下，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，也就是三个地址位，最后一位为读写控制位，当为1(Input)时为读操作，为0(Output)时为写操作。

控制字后就是相应的操作，读或写，一定不要结束，因为这个操作还没有完成，如果结束就等于放弃操作。

先来看写操作，写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同，AT24C02为8字节，每写一个字节后，地址自动加1。

关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图3，字节写可以看成是只有一个字节的页面写，也就是写一个数据后停止。

注意：写一次需要一定时间，一般为10ms，要等侍这个操作完成，时序如下图。

说明：对于AT24C02，在控制字后还必须写入地址，这个地址是以后读写的起始地址。

读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。三种操作方法类似，只是读的数据个数不同，可连续读8个字节，图4给出的是顺序读的时序图，图中共读了四个数据，需要注意的是当前的地址，如果不是想要的，可以用写操作，重新写入地址。

非常重要的是，每读一个数据后，必须置低SDA，作为应答，否则，只能读一个数据，后面的数据，因为收到不应答信号，AT24C02就会认为出错，停止操作。

特别提醒的是，当SCL为低电平时，数据是可变的，因些只有SCL为高电平时，才能读数。

四、例程序（51汇编，测试单片机为AT89C51，12M晶振）

电路连接如图5，其中A0，A1，A2为地址线，本例中全部接地，因此全部为0。由于SCL和SDA为漏极开路输出，所以在使用时，需加上拉电阻。

五、结束语

在I2C总线的应用中应注意的事项总结为以下几点 :

严格按照时序图的要求进行操作；

若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻；

程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时；

为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断EEPROM是否被意外改写。

通过本文的介绍，我们对I2C总线的工作原理和应用有了更深入的了解。无论是在嵌入式系统、物联网设备还是传感器网络中，I2C总线都发挥着至关重要的作用。它简单、高效的特点使得设备之间的通信变得更加便捷和可靠。随着技术的不断进步，我们相信I2C总线在未来的应用领域中将继续发挥着重要的作用，连接着各种智能设备，为我们创造更加便利和智能的生活。

审核编辑：彭菁