1. 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(jī)系統(tǒng)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(hào)線：一根是數(shù)據(jù)線SDA；另一根是時(shí)鐘線SCL。

I2C總線通過(guò)上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，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(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。

每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。

在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂，I2C總線要通過(guò)總線仲裁，以決定由哪一臺(tái)主機(jī)控制總線。

2. I2C總線的數(shù)據(jù)傳送

（1）數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定

I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。

（2）起始和終止信號(hào)

SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號(hào)；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(hào)。

起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。

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(cè)到起始和終止信號(hào)。對(duì)于不具備I2C總線硬件接口的有些單片機(jī)來(lái)說(shuō)，為了檢測(cè)起始和終止信號(hào)，必須保證在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次。

接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無(wú)法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。

（3）數(shù)據(jù)傳送格式

1.字節(jié)傳送與應(yīng)答

每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。

由于某種原因從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無(wú)法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。

如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無(wú)法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過(guò)對(duì)無(wú)法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。

當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。

2.數(shù)據(jù)幀格式

I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。

在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址。

在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，可以有以下幾種組合方式：

a、主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過(guò)程中不變：

注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無(wú)陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。

A表示應(yīng)答，表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)。

b、主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即由從機(jī)讀數(shù)據(jù)

c、在傳送過(guò)程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號(hào)和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫(xiě)方向位正好反相。

3.總線的尋址

I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié)）。

（1）尋址字節(jié)的位定義

D7～D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。

主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接收器。

從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可編程部分決定了可接入總線該類(lèi)器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。

（2）起始字節(jié)

起始字節(jié)是提供給沒(méi)有I2C總線接口的單片機(jī)查詢(xún)I2C總線時(shí)使用的特殊字節(jié)。

不具備I2C總線接口的單片機(jī)，則必須通過(guò)軟件不斷地檢測(cè)總線，以便及時(shí)地響應(yīng)總線的請(qǐng)求。單片機(jī)的速度與硬件接口器件的速度就出現(xiàn)了較大的差別，為此，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送要由一個(gè)較長(zhǎng)的起始過(guò)程加以引導(dǎo)。引導(dǎo)過(guò)程由起始信號(hào)、起始字節(jié)、應(yīng)答位、重復(fù)起始信號(hào)（Sr）組成。

請(qǐng)求訪問(wèn)總線的主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)后，發(fā)送起始字節(jié)（0000 0001），另一個(gè)單片機(jī)可以用一個(gè)比較低的速率采樣SDA線，直到檢測(cè)到起始字節(jié)中的7個(gè)“0”中的一個(gè)為止。在檢測(cè)到SDA線上的高電平后，單片機(jī)就可以用較高的采樣速率，以便尋找作為同步信號(hào)使用的第二個(gè)起始信號(hào)Sr。

在起始信號(hào)后的應(yīng)答時(shí)鐘脈沖僅僅是為了和總線所使用的格式一致，并不要求器件在這個(gè)脈沖期間作應(yīng)答。

4. 80C51單片機(jī)I2C串行總線器件的接口

（1）總線數(shù)據(jù)傳送的模擬

主機(jī)可以采用不帶I2C總線接口的單片機(jī)，如80C51、AT89C2051等單片機(jī)，利用軟件實(shí)現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結(jié)合的信號(hào)模擬。

4.1.1典型信號(hào)模擬

為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時(shí)序要求。I2C總線的起始信號(hào)、終止信號(hào)、發(fā)送“0”及發(fā)送“1”的模擬時(shí)序：

4.1.3典型信號(hào)模擬子程序

（1）起始信號(hào)

Void T2CStart(void)

{

SomeNop( );

SCL = 1;

SomeNop( );

SDA = 0;

SomeNop( );

SCL = 0;

SomeNop( );

}

（2）終止信號(hào)

void I2cStop(void)

{

SDA = 0;

SomeNop( );

SCL = 1;

SomeNop( );

SDA = 1;

SomeNop( );

SCL = 0;

}