簡單介紹一下什么是I2C總線的引腳功能和時序

I²C(Inter-Integrated Circuit)總線是Philips公司推出的一種雙向二線制同步串行總線，僅用兩根線即可實現(xiàn)器件之間的數(shù)據(jù)傳送。目前很多芯片集成了I²C總線接口，如CYGNAL公司的C805IF0XX系列單片機、實時日歷時鐘芯片PCF8563及數(shù)字溫度傳感器LM75等。

I²C總線的引腳功能和時序

1.I²C總線的引腳功能

如圖6-7所示，I²C總線通過兩根線將多個芯片(包括MCU)連接在一起，其中，SDA和SCL都是雙向傳輸線，分別用于傳輸數(shù)據(jù)和時鐘信號。這兩個引腳必須經(jīng)過上拉電阻與正電源相接，如圖6-8所示。另外，在總線空閑時，SDA和SCL都是高電平。

圖6-7 I²C總線接口擴展示意圖

圖6-8 I²C總線接口電氣結(jié)構(gòu)圖

需要注意，在圖6-7中并沒有指出從機或主機，這是因為I2C是一種多主機的總線，可以有多個主機，且主從關(guān)系可以根據(jù)任務(wù)要求而更改。當(dāng)有個多個主機時，I²C總線可以通過內(nèi)部的競爭檢測和仲裁電路進行仲裁處理，以保證數(shù)據(jù)正確傳輸。另外，主機是產(chǎn)生時鐘信號并初始化數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骷?，只有帶CPU的器件才能成為主機。每個器件都有一個唯一的地址編號，被主機通過地址編號尋址訪問的器件是從機。

2.I²C總線的引腳時序

I²C總線的數(shù)據(jù)傳輸過程由主機控制。在該過程中，主機的操作可以分為以下幾個步驟：①發(fā)送啟動信號;②傳輸從機地址，并確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸方向(主機輸出從機輸入，或主機輸入從機輸出);③與從機之間進行數(shù)據(jù)傳輸(發(fā)送或讀取);④發(fā)送停止信號。I2C總線信號的時序由主機產(chǎn)生和控制，下面分別進行介紹。

(1)啟動信號和停止信號的時序

啟動信號和停止信號分別用于確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束。如圖6-9所示，當(dāng)SCL為高電平時，若SDA引腳出現(xiàn)下降沿，則產(chǎn)生啟動信號;反之，當(dāng)SCL為高電平，而SDA引腳出現(xiàn)上升沿時，則產(chǎn)生停止信號。

圖6-9啟動信號與停止信號的引腳時序

a)啟動信號b)停止信號

(2)數(shù)據(jù)傳送時序

數(shù)據(jù)傳送過程中，如圖6-10所示，當(dāng)SCL為高電平時，SDA引腳上的信號是被傳送的數(shù)據(jù)位(低電平為“0”，高電平為“1”)，必須保持穩(wěn)定;若要更改被傳送的數(shù)據(jù)位，則必須先令SCL為低電平?？梢?，I²C總線僅在SCL為高電平時傳送數(shù)據(jù)。

圖6-10數(shù)據(jù)傳輸過程中的引腳時序

(3)響應(yīng)信號時序

I²C總線以字節(jié)為單位傳送數(shù)據(jù)和地址。傳送時高位在前、低位在后。每發(fā)送完一個字節(jié)后，發(fā)送方都要求接收方返回一個響應(yīng)信號。響應(yīng)信號有兩種，分別是應(yīng)答信號ACK和非應(yīng)答信號ACK，其時序如圖6-11所示，下面分析該時序。

圖6-11響應(yīng)信號的引腳時序

a)應(yīng)答信號ACK b)非應(yīng)答信號ACK

1)若主機為發(fā)送方，則發(fā)送完一個字節(jié)后，需要從機進行應(yīng)答。此時，主機在SCL引腳產(chǎn)生一個時鐘脈沖(高電平)，并將SDA引腳設(shè)置為高電平(即釋放對總線的控制)。接收方若需繼續(xù)接收下一個數(shù)據(jù)，則主動將SDA引腳設(shè)置為低電平。即產(chǎn)生如圖6-11a所示的ACK信號。主機檢測到ACK信號后將繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。若接收方不需要接收下一個數(shù)據(jù)，則不更改SDA引腳狀態(tài)，使其保持高電平。即產(chǎn)生如圖6-11b所示的ACK信號。主機檢測到ACK信號后，將產(chǎn)生如圖6-9b所示的停止信號，并結(jié)束發(fā)送。

2)若主機為接收方，則接收完一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，主動產(chǎn)生一個應(yīng)答信號。如果主機希望接收新數(shù)據(jù)，則該應(yīng)答信號為ACK信號。檢測到ACK信號的從機將發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。如果主機不需要接收新數(shù)據(jù)，則應(yīng)答信號為ACK信號。從機檢測到ACK信號后，將停止發(fā)送、釋放SDA線(即使其為高電平)。之后，主機可以發(fā)送停止信號，結(jié)束本次數(shù)據(jù)傳輸。

3.I²C總線的數(shù)據(jù)幀格式

如前所述，I²C總線傳輸數(shù)據(jù)之前除了發(fā)送啟動信號外，還要發(fā)送從機地址，并確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸方向。具體方法是，主機發(fā)送啟動信號后，接著再向從機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)。如圖6-12所示，該數(shù)據(jù)的高7位是從機的地址;最低位(第0位)R W代表數(shù)據(jù)的傳輸方向，0表示主機是發(fā)送方(向從機寫數(shù)據(jù))，1表示主機是接收方(讀從機的數(shù)據(jù))。

沒有I²C總線接口的單片機，如MCS-51單片機等，可以利用自身的并行I/O引腳模擬產(chǎn)生I2C總線時序，以實現(xiàn)對I²C總線接口器件的擴展。例如，在圖6-13中，8051單片機用P1.0和P1.1模擬I²C總線的SDA和SCL引腳。

圖6-12 I²C總線的從機地址格式

圖6-13引腳模擬I²C總線