I2C总线详细介绍

 

I²C是一种串行总线的外设接口，它采用同步方式串行接收或发送信息，两个设备在同一个时钟下工作。I²C总线只用两根线：串行数据SDA（Serial Data）、串行时钟SCL（Serial Clock）。

由于I²C只有一根数据线，因此其发送信息和接收信息不能同时进行。信息的发送和接收只能分时进行。I²C串行总线工作时传输速率最高可达400K bit/s。

I²C总线上的所有器件的SDA线并接在一起，所有器件的SCL线并接在一起，且SDA线和SCL线必须通过上拉电阻连接到正电源。

I²C总线的数据传输协议要比SPI总线复杂一些，因为I²C总线器件没有片选控制线，所以I²C总线数据传输的开始必须由主器件产生通信的开始条件（SCL高电平时，SDA产生负跳变）；通信结束时，由主器件产生通信的结束条件（SCL高电平时，SDA产生正跳变）。

SDA线上的数据在SCL高电平期间必须保持稳定，否则会被误认为开始条件或结束条件，只有在SCL低电平期间才能改变SDA线上的数据。I²C总线的数据传输波形图如下图所示。

I²C应用实例

AT24C系列为美国ATMEL公司推出的串行COMS型E²PROM，具有功耗小，宽电压范围等优点。下图为AT24C系列E²PROM的引脚图。图中A0、A1、A2为器件地址引脚，Vss为地，Vcc为正电源，WP为写保护，SCL为串行时钟线，SDA为串行数据线。AT24C系列E²PROM采用I²C总线，I²C总线上可挂接多个接口器件，在I²C总线上的每个器件应有唯一的器件地址，按I²C总线规则，器件地址为7位二进制数，它与一位数据方向位构成一个器件寻址字节。器件寻址字节的最低位（D0）为方向位（读/写），最高4位（D7~D4）为器件型号地址（不同的I²C总线接口器件的型号地址由厂家给定，AT24C系列E²PROM的型号地址都为1010）；其余3位（D3~D1）与器件引脚地址A2A1A0相对应。器件地址格式：

1010  A2A1A0。

对于E²PROM的片内地址，AT24C01和AT24C02由于芯片容量可用一个字节表示，故读写某个单元前，先向E²PROM写入一个字节的器件地址，再写入一个字节的片内地址。而AT24C04、AT24C08、AT24C16分别需要9位、10位和11位片内地址，所以AT24C04把器件地址中的A0作为片内地址的最高位，AT24C08把器件地址中的A1A0作为片内地址的最高两位，AT24C16把器件地址中的A2A1A0作为片内地址的最高三位。凡在系统中把器件的引脚地址用作片内地址后，该引脚在电路中不得使用，做悬空处理。AT24C32、AT24C64、AT24C128、AT24C256和AT24C512的片内地址采用两个字节。

AT24C系列E²PROM的读写操作原理

下列读写操作中SDA线上数据传送状态标记注释如下：

Start为启动信号（SCL为高电平，SDA产生负跳变），由主机发送。

Stop为结束信号（SCL为高电平，SDA产生正跳变），由主机发送。

AddressByte、AddreeeByte H、AddreeeByte L为地址字节，指定片内某单元地址，由主机发送。

data为数据字节，由数据发送方发送。

0 为肯定应答信号，由数据接收方发送。

1 为否定应答信号，由数据接收方发送。

 

主机控制数据线SDA时，在SCL高电平期间必须保持SDA线上的数据稳定，否则会被误认为对从机的起始条件或结束条件。主机只能在SCL低电平期间改变SDA线上的数据。主机写操作期间，用SCL的上升沿写入数据；主机读操作期间，用SCL的下降沿读出数据。

 

从AT24C系列AT24C01~AT24C16中读n个字节的数据格式：

从AT24C系列AT24C32~AT24C512中读n个字节的数据格式：

向AT24C系列AT24C01~AT24C16中写n个字节的数据格式（n<=页长，且n个字节不能跨页）：

向AT24C系列AT24C32~AT24C512中写n个字节的数据格式（n<=页长，且n个字节不能跨页）：

应答信号

I²C总线数据传送时，每成功地传送一个字节数据后，接收器都必须产生一个应答信号。应答的器件在第9个时钟周期时将SDA线拉低，表示其已经收到一个8位数据。

I²C器件在接收到起始信号和从器件地址之后响应一个应答信号，如果器件已选择了写操作，则在每接收一个8位字节之后响应一个应答信号。

I²C器件工作在读模式时，在发送一个8位数据后释放SDA线（SDA置为高电平）并监视一个应答信号，一旦接收到主器件的应答信号，I²C器件则继续发送数据，如果主器件没有发送应答信号（发送非应答信号，即SDA为高电平），器件停止传送数据且等待一个停止信号。