第10章单片机的串行总线扩展技术祥解.docVIP

第11章　单片机的串行总线扩展技术 11.1 I2C总线I2C是Inter-Integrated Circuit的缩写。I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。具有I2C接口的设备有微控制器、ADC、DAC、存储器、LCD控制器、LCD驱动器以及实时时钟等。 采用I2C总线标准的器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元挂靠或脱离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统简单而灵活的扩展和控制。I2C只有两条线路一条串行数据线SDA)，一条串行时钟线SCL)，其连接方法如图-1所示。 图-1 I2C总线示意图 连接到I2C总线上的设备分两类：主控设备和从控设备。它们都可以是数据的发送器和接收器，但是数据的接收和发送的发起者只能是主控设备。正常情况下，I2C总线上的所有从控设备被设置为高阻状态，而主控设备保持高电平，表示空闲状态。 I2C具有如下特点： 只有两条一条串行数据线SDA)，一条串行时钟线SCL)； 每个连接到总线的器件都可以使用软件根据它的唯一的地址来识别； 传输数据的设备间是简单的主从关系； 主机可以用作主机发送器或主机接收器； 它是一个真正的多主机总线，两个或多个主机同时发起数据传输时，可以通过冲突检测和仲裁来防止数据被损坏；串行的8位双向数据传输，位速率在标准模式下可达100kbps在快速模式下可达400kbps在高速模式下可达3.4Mbps。 I2C总线的操作模式为主发送模式、主接收模式、从发送模式和从接收模式。当I2C处于从模式时，要传输数据，必须检测SDA线上的起始条件，起始条件有主控设备产生。起始条件在SCL保持高电平期间，SDA由高电平向低电平的变化状态，如图-2所示。当I2C总线上产生了一个起始条件，那么这条总线就被发出起始条件的主控器占用了，变成忙状态； 而当SCL保持高电平期间，SDA是由低电平向高电平变化状态则规定为停止条件如图-2所示。停止条件也是有主控设备产生，当主控器产生一个停止条件，则停止数据传输，总线被释放，I2C总线变成闲状态。 图 -2 I2C 起始条件和停止条件示意图 从机地址 当主控器发出一个起始条件后，它还立即送出一个从机地址，来通知进行通信的从器件。一般从机地址由7位地址位和1位读写标志R/W组成，7位地址占据高7位，读写位在最后。读写位是0，表示主机将要向从机写入数据；读写位是1，则表示主机将要从从机读取数据。 带有I2C 总线的器件除了有从机地址Slave Address)外，还可能有子地址。从机地址是指该器件在I2C 总线上被主机寻址的地址，而子地址是指该器件内部不同部件或存储单元的编址。例如，带I2C总线接口的E2PROM 就是拥有子地址。某些器件只占少数内部结构比较简单，可能没有子地址，只有必须的从机地址。与从机地址一样，子地址实际上也是像普通数据那样进行传输的，传输格式仍然是与数据相统一的，区分传输的到底是地址还是数据要靠收发双方具体的逻辑约定。子地址的长度必须由整数个字节组成，可能是单字节8位子地址，也可能是双字节16位子地址，还可能是3字节以上，这要看具体器件的规定。 数据传输控制 I2C总线总是以字节Byte)为单位收发数据，每个字节的长度都是8位，每次传送字节的数量没有限制。I2C总线首先传输的是数据的最高位MSB)，最后传输的是最低位LSB)。另外，每个字节之后还要跟一个响应位，称为应答。接收器接收数据的情况可以通过应答位来告知发送器。应答位的时钟脉冲仍由主机产生，而应答位的数据状态则遵循谁接收谁产生的原则，即总是由接收器产生应答位。主机向从机发送数据时，应答位由从机产生；主机从从机接收数据时，应答位由主机产生。I2C总线标准规定：应答位为0”，表示接收器应答ACK)，简记为A；为1”则表示非应答NACK)，简记为。发送器发送完LSB之后，应当释放SDA线，以等待接收器产生应答位。如果接收器在接收完最后一个字节的数据，或者不能再接收更多的数据时，应当产生非应答来通知发送器。发送器如果发现接收器产生了非应答状态，则应当终止发送。 I2C总线基本数据传输格式根据从机地址可以分为7位寻址和10位寻址两种数据格式，无子地址的从机地址由7位地址位和1位读写位构成，称为7位寻址方式，其数据格式如图a)和如图a)所示；有子地址的从机地址为10位寻址方式，分别有7位地址位和1位读写位，以及2位子地址构成，其数据格式如图b)和如图b)所示。 （a）7位寻址的数据格式 （b）10位寻址的数据格式 图 主机向从机发送数据的基本格式 （a）7位寻址的数据格式 （b）10位寻址的数