I²C串行總線

 I²C串行總線概述

I²C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機系統所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。

I²C總線只有兩根雙向信號線。一根是數據線SDA，另一根是時鍾線SCL

I²C總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCI都是線“與”關系。 

 每個接到I²C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其他器件間的數據傳送可以是由主機發送數據到其他器件，這時主機即為發送器。由總線上接收數據的器件則為接收器。

在多主機系統中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數據。為了避免混亂，I²C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一台主機控制總線。

在80C51單片機應用系統的串行總線擴張中，我們經常遇到的是以80C51單片機為主機，其他接口器件為從機的單主機情況。

I²C總線的數據傳送

一、數據位的有效性規定

I²C總線進行數據傳送時，時鍾信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鍾線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。

 二、起始和終止信號

SCL線為高電平期間，SDA線為高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。

 起始和終止信號都是由主機發出的，在起始信號產生后，總線就處於被占用的狀態；在終止信號產生后，總線就處於空閑狀態。

連接到I²C總線上的器件，若具有I²C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。

接收器件收到一個完整的數據字節后，有可能需要完成一些其他工作，如處理內部中斷服務等，可能無法立即接收下一個字節，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機處於等待狀態。直到接收器件准備好接收下一個字節時，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數據傳送可以繼續進行。

三、數據傳送格式

（1）字節傳送與應答

每一個字節必須保證是8位長度。數據傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）

 由於某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數據），它必須將數據線置於高電平，而由主機產生一個終止信號以結束總線的數據傳送。

如果從機對主機進行了應答，但在數據傳送一段時間后無法繼續接收更多的數據時，從機可以通過對無法接收的第一個數據字節的“非應答”通知主機，主機則應發出終止信號以結束數據的繼續傳送。

當主機接收數據時，它收到最后一個數據字節后，必須向從機發出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答”來實現的。然后，從機釋放SDA線，以允許主機產生終止信號。

(2)數據幀格式

I²C總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數據信號。

在起始信號后必須一個從機的地址（7位），第8位是數據的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機發送數據（T），“1”表示主機接收數據（R）。每次數據傳送總是由主機產生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續占用總線進行新的數據傳送，則可以不產生終止信號，馬上再次發出起始信號對另一從機進行尋址。

在總線的一次數據傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：

a、主機向從機發送數據，數據傳送方向在整個傳送過程中不變：

注：有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無陰影部分表示數據由從機向主機傳送。

A表示應答 ，A表示非應答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。

b、主機在第一個字節后，立即從從機讀數據

c、在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產生一次，但兩次讀/寫方向正好反相。

 四、總線的尋址

I²C總線協議有明確的規定：采用7位的尋址字節（尋址字節是起始信號后的第一個字節）。

尋址字節的位定義

D7~D1位組成從機的地址 。D0位是數據傳送方向位，為“0”時表示主機向從機寫數據，為“1”時表示主機向從機讀數據。

主機發送地址時。總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據R/T位將自己確定為發送器或接收器。

從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數目。如一個從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件接入到該I²C總線系統中。

I²C總線數據傳送的模擬

主機可以采用不帶I²C總線接口的單片機，如80C51、AT89C2051等單片機，利用軟件實現I²C總線的數據傳送，即軟件與硬件結合的信號模擬

一、典型信號模擬

為了保證數據傳送的可靠性，標准的I²C總線的數據傳送有嚴格的時序要求。I²C總線的起始信號、終止信號、發送“0”及發送“1”的模擬時序：

 二、典型信號模擬子程序

（1）起始信號

void I2CStart（void）

{

　　SDA=1；

　　SomeNOP（）；

　　SCL=1；

　　SomeNop（）；

　　SDA=0；

　　SomeNop（）；

}

（2）終止信號

void I2CStop（void）

{

　　SDA=0；

　　SomeNop（）；

　　SCL=1；

　　SomeNop（）；

　　SDA=1；

　　SomeNop（）；

}

I²C總線器件的擴張