I2C總線協(xié)議詳解

I2C總線定義

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I2C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進(jìn)行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇?？呻S時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。

I2C總線特點(diǎn)

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I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優(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(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當(dāng)然，在任何時間點(diǎn)上只能有一個主控。

I2C總線工作原理

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總線的構(gòu)成及信號類型

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　　I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。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)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線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兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。

　　I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號， 它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。

　　開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。

　　結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

　　應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應(yīng)答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

　　這些信號中，起始信號是必需的，結(jié)束信號和應(yīng)答信號，都可以不要。

　　目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)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(jiān)控芯片等也提供I2C接口

　　I2C 總線是一種用于IC器件之間連接的雙向二線制總線，所謂總線它上面可以掛多個器件，并且通過兩根線連接，占用空間非常的小，總線的長度可長達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持4個組件。它的另一優(yōu)點(diǎn)是多主控，只要能夠進(jìn)行接收和發(fā)送的設(shè)備都可以成為主控制器，當(dāng)然多個主控不能同一時間工作。

　　I2C總線有兩根信號線，一根為SDA（數(shù)據(jù)線），一根為SCL（時鐘線）。任何時候時鐘信號都是由主控器件產(chǎn)生。

I2C總線操作

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I2C規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)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)?？偩€必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)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)的改變被用來表示起始和停止條件。
　　控制字節(jié)
　　在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時為讀操作，為0時為寫操作。
　　寫操作
　　寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種操作，對于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。
　　讀操作
　　讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應(yīng)當(dāng)注意的是：最后一個讀操作的第9個時鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作，主機(jī)必須在第9個周期間發(fā)出停止條件或者在第9個時鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。

I2C總線應(yīng)用

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目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，三星的S3C24XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。

舉常I2C器件/I2C Device

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　　1、存儲器類： ATMEL公司的AT24CXX系列EEPROM；
　　2、I2C總線8位并行IO口擴(kuò)展芯片PCF8574/JLC1562；
　　3、I2C接口實(shí)時時鐘芯片DS1307/PCF8563/SD2000D/M41T80/ME901/ISL1208/；
　　4、I2C數(shù)據(jù)采集ADC芯片MCP3221（12bitADC）/ADS1100（16bitADC）/ADS1112（16bitADC）/MAX1238（12bitADC）/MAX1239（12bitADC）；
　　5、I2C接口數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC芯片DAC5574（8bitDAC）/DAC6573（10bitDAC）/DAC8571（16bitDAC）/；
　　6、I2C接口溫度傳感器TMP101/TMP275/DS1621/MAX6625

USB轉(zhuǎn)I2C專用芯片：USB2I2C

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USB2I2C是一個USB總線轉(zhuǎn)I2C總線I2C/IIC/TWI/SMBUS的接口芯片，通過USB2I2C芯片可以非常方便地實(shí)現(xiàn)PC機(jī)USB總線和下位機(jī)端I2C接口（即IIC或TWI總線：SCL 線、SDA 線）之間的通信。
　　USB2I2C芯片上位機(jī)PC端提供簡單易用的USBIOX.DLL動態(tài)庫調(diào)用，可以方便地被VB，VC，Delphi，Labview，BCB等上位機(jī)開發(fā)工具調(diào)用。相關(guān)例程在USBIO公司網(wǎng)站可以找到。
　　USB2I2C功能特點(diǎn)：
　　●全速USB設(shè)備接口，兼容USB V2.0。
　　●外圍元件簡單，只需1個12M晶體和2個電容。
　　●低成本，可以通過I2C總線直接實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的連接，無需輔助MCU。
　　●上位機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)靈活實(shí)現(xiàn)I2C/IIC/TWI總線協(xié)議的各種操作。
　　●作為I2C總線Host/Master 主機(jī)端。
　　●I2C接口提供SCL和SDA信號線，支持SCL時鐘4種不同傳輸速度：100KHz/400KHz/750KHz。
　　●采用SSOP-20小型封裝。