I2C總線(xiàn)原理及應用實(shí)例

I2C(Inter－Integrated Circuit)總線(xiàn)是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線(xiàn)產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設備開(kāi)發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個(gè)組件進(jìn)行查詢(xún)，以管理系統的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統風(fēng)扇?？呻S時(shí)監控內存、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò )、系統溫度等多個(gè)參數，增加了系統的安全性，方便了管理。
1 I2C總線(xiàn)特點(diǎn)
I2C總線(xiàn)最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線(xiàn)占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯(lián)成本?？偩€(xiàn)的長(cháng)度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C總線(xiàn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線(xiàn)。一個(gè)主控能夠控制信號的傳輸和時(shí)鐘頻率。當然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。
2 I2C總線(xiàn)工作原理
2.1 總線(xiàn)的構成及信號類(lèi)型
I2C總線(xiàn)是由數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構成的串行總線(xiàn)，可發(fā)送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線(xiàn)上，但就像電話(huà)機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過(guò)程中，I2C總線(xiàn)上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量?jì)刹糠?，地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類(lèi)；控制量決定該調整的類(lèi)別（如對比度、亮度等）及需要調整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線(xiàn)上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。
I2C總線(xiàn)在傳送數據過(guò)程中共有三種類(lèi)型信號， 它們分別是：開(kāi)始信號、結束信號和應答信號。
開(kāi)始信號：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數據。
結束信號：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。
應答信號：接收數據的IC在接收到8bit數據后，向發(fā)送數據的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應答信號，CPU接收到應答信號后，根據實(shí)際情況作出是否繼續傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現故障。
目前有很多半導體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監控芯片等也提供I2C接口。
3 總線(xiàn)基本操作
I2C規程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數據到總線(xiàn)上，則定義為發(fā)送器，器件接收數據則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線(xiàn)必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線(xiàn)的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線(xiàn)上的數據狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。參見(jiàn)圖1。

圖1 串行總線(xiàn)上的數據傳送順序
3.1 控制字節
在起始條件之后，必須是器件的控制字節，其中高四位為器件類(lèi)型識別符（不同的芯片類(lèi)型有不同的定義，EEPROM一般應為1010），接著(zhù)三位為片選，最后一位為讀寫(xiě)位，當為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫(xiě)操作。如圖2所示。

圖2 控制字節配置
3.2 寫(xiě)操作
寫(xiě)操作分為字節寫(xiě)和頁(yè)面寫(xiě)兩種操作，對于頁(yè)面寫(xiě)根據芯片的一次裝載的字節不同有所不同。關(guān)于頁(yè)面寫(xiě)的地址、應答和數據傳送的時(shí)序參見(jiàn)圖3。

圖3 頁(yè)面寫(xiě)
3.3 讀操作
讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時(shí)序圖。應當注意的是：最后一個(gè)讀操作的第9個(gè)時(shí)鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結束讀操作，主機必須在第9個(gè)周期間發(fā)出停止條件或者在第9個(gè)時(shí)鐘周期內保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。

圖4 順序讀
4 實(shí)例：X24C04與MCS-51單片機軟硬件的實(shí)現
X24C04是XICOR公司的CMOS 4096位串行EEPROM，內部組織成512