I2C总线操作 - i2c总线相关知识

　　 I2C总线操作

　　对I2C总线的操作实际就是主从设备之间的读写操作。大致可分为以下三种操作情况：

　　第一，主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

　　

　　第二，主设备从从设备中读数据。数据传输格式如下：

　　

　　第三，主设备往从设备中写数据，然后重启起始条件，紧接着从从设备中读取数据；或者是主设备从从设备中读数据，然后重启起始条件，紧接着主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

　　

　　第三种操作在单个主设备系统中，重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。

　　1.2 I2C总线硬件接口电路示例

　　1.2.1 I2C总线硬件接口电路示例一

　　

　　这个电路是基于LPC2368 ARM7芯片进行设计的，使用其内部的I2C接口作为主设备，使用ADT75和SC16IS740作为两个从设备的I2C总线应用。

　　ADT75是一个带I2C接口的温度传感器器件，数据手册上对其地址的描述如下：

　　

　　由此，其地址跟A0、A1、A2引脚的接法有关，我们这里的实例是将A0、A1、A2全部接到高电平上，因此其地址是：1001111（即0x4F），又因根据协议再给地址添加一个最低位（方向位，默认给写方向），因此最后这个温度传感器作为从设备的地址是：10011110（即0x9E）。

　　SC16IS740是一个具有I2C或者SPI接口的扩展UART的器件（通过第8脚来决定使用I2C还是SPI接口，我们这里要求使用I2C接口，因此将第8脚接到高电平）。根据数据手册，我们同样的可以知道地址跟A0、A1的接法有关，我们这里的A0接高电平，A1接低电平。因此这个器件作为从设备的地址是：10010010（即0x92）。

　　1.2.2 I2C总线硬件接口电路示例二

　　

　　这个电路是Mini2440开发板上I2C总线接口的应用。我们可以看到，SDA和SCL线上接了一个10K的上拉排阻。AT24C08是一个容量为8Kbit的EEPROM存储器件（注意是8Kbit，也就是1KB） ，根据数据手册中器件地址部分的描述，AT24C08的地址是：1010+A2A1A0+方向位，其中1010是EEPROM的类型识别符；仅仅使用A2来确定总线访问本器件的从设备地址，这里接的低电平，所以为0；A1和A0是器件内部页地址，在对器件擦除或者编程时使用，虽然这里也接的低电平，但器件内部并不使用引脚的输入值，也就是说A1和A0的值是由软件进行设定的。

　　1.3 脱离操作系统的I2C总线驱动示例（以电路示例一为例）

　　1.3.1 LPC2368中I2C接口寄存器描述

　　LPC2368中有三个I2C总线接口，分别表示为I2C0、I2C1和I2C2，每个I2C接口都包含7个寄存器。它们分别是：

　　I2C控制置位寄存器（I2CONSET）： 8位寄存器，各位不同的设置是对I2C总线不同的控制。

　　在前面的I2C总线特征中我们提到过，I2C总线的速率通过可编程时钟来调整，即必须通过软件对I2SCLH和I2SCLL寄存器进行设置来选择合适的数据频率和占空比。 频率由下面的公式得出（fPCLK是PCLK的频率）。

　　

　　 LPC2368中I2C总线操作

　　在1.1.4中我们已经讲过了对I2C总线的操作，但那只是从协议和时序上的描述，那我们如何从软件上去体现出来呢？接下来我们就讨论这个问题。

　　对I2C总线上主从设备的读写可使用两种方法，一是使用轮询的方式，二是使用中断的方式。轮询方式即是在一个循环中判断I2C状态寄存器当前的状态值来确定总线当前所处的状态，然后根据这个状态来进行下一步的操作。中断方式即是使能I2C中断，注册I2C中断服务程序，在服务程序中读取I2C状态寄存器的当前状态值，再根据状态值来确定下一步的操作。

　　不管使用哪种方法，看来I2C状态寄存器的值是至关重要的。这些状态值代表什么意思呢？下面我们描述一些常用的状态值（详细的状态值含义请参考数据手册）。

　　0x08： 表明主设备向总线已发出了一个起始条件；

　　0x10： 表明主设备向总线已发出了一个重复的起始条件；

　　0x18： 表明主设备向总线已发送了一个从设备地址（写方向）并且接收到从设备的应答；

　　0x20： 表明主设备向总线已发送了一个从设备地址（写方向）并且接收到从设备的非应答；

　　0x28： 表明主设备向总线已发送了一个数据字节并且接收到从设备的应答；

　　0x30： 表明主设备向总线已发送了一个数据字节并且接收到从设备的非应答；

　　0x40： 表明主设备向总线已发送了一个从设备地址（读方向）并且接收到从设备的应答；

　　0x48： 表明主设备向总线已发送了一个从设备地址（读方向）并且接收到从设备的非应答；

　　0x50： 表明主设备从总线上已接收一个数据字节并且返回了应答；

　　0x58： 表明主设备从总线上已接收一个数据字节并且返回了非应答；

　　四、 总线信号时序分析

　　1. 总线空闲状态

　　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，两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高；

　　2. 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（即负跳变）。启动信号必须是跳变信号，而且在建立该信号前必修保证总线处于空闲状态；

　　3. 停止信号STOP

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

　　4. 数据传送

　　SCL线呈现高电平期间，SDA线上的电平必须保持稳定，低电平表示0（此时的线电压为地电压），高电平表示1（此时的电压由元器件的VDD决定）。只有在SCL线为低电平期间，SDA上的电平允许变化。

　　5. 应答信号ACK

　　I2C总线的数据都是以字节（8位）的方式传送的，发送器件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ACK（把数据总线的电平拉低）来表示数据成功接收。

　　6. 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，接收器不拉低数据总线表示一个NACK，NACK有两种用途：

　　a. 一般表示接收器未成功接收数据字节；

　　b. 当接收器是主控器时，它收到最后一个字节后，应发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放总线，以便主控接收器发送一个停止信号STOP。