單片機(jī) I2C 時(shí)序介紹

在硬件上，I2C 總線是由時(shí)鐘總線 SCL 和數(shù)據(jù)總線 SDA 兩條線構(gòu)成，連接到總線上的所有器件的 SCL 都連到一起，所有 SDA 都連到一起。I2C 總線是開(kāi)漏引腳并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因此我們外部要添加上拉電阻。對(duì)于開(kāi)漏電路外部加上拉電阻，就組成了線“與”的關(guān)系?？偩€上線“與”的關(guān)系就是說(shuō)，所有接入的器件保持高電平，這條線才是高電平，而任何一個(gè)器件輸出一個(gè)低電平，那這條線就會(huì)保持低電平，因此可以做到任何一個(gè)器件都可以拉低電平，也就是任何一個(gè)器件都可以作為主機(jī)，如圖14-1所示，我們添加了 R63 和 R64 兩個(gè)上拉電阻。

圖14-1 I2C 總線的上拉電阻

雖然說(shuō)任何一個(gè)設(shè)備都可以作為主機(jī)，但絕大多數(shù)情況下我們都是用單片機(jī)來(lái)做主機(jī)，而總線上掛的多個(gè)器件，每一個(gè)都像電話機(jī)一樣有自己唯一的地址，在信息傳輸?shù)倪^(guò)程中，通過(guò)這唯一的地址就可以正常識(shí)別到屬于自己的信息，在 KST-51 開(kāi)發(fā)板上，就掛接了2個(gè) I2C 設(shè)備，一個(gè)是 24C02，一個(gè)是 PCF8591。

我們?cè)趯W(xué)習(xí) UART 串行通信的時(shí)候，知道了通信流程分為起始位、數(shù)據(jù)位、停止位這三部分，同理在 I2C 中也有起始信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸和停止信號(hào)，如圖14-2所示。

圖14-2 I2C 時(shí)序流程圖

從圖上可以看出來(lái)，I2C 和 UART 時(shí)序流程有相似性，也有一定的區(qū)別。UART 每個(gè)字節(jié)中，都有一個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1位停止位。而 I2C 分為起始信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸部分、停止信號(hào)。其中數(shù)據(jù)傳輸部分，可以一次通信過(guò)程傳輸很多個(gè)字節(jié)，字節(jié)數(shù)是不受限制的，而每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)最后也跟了一位，這一位叫做應(yīng)答位，通常用 ACK 表示，有點(diǎn)類似于 UART 的停止位。

下面我們一部分一部分的把 I2C 通信時(shí)序進(jìn)行剖析。之前我們已經(jīng)學(xué)過(guò)了 UART，所以學(xué)習(xí) I2C 的過(guò)程我盡量拿 UART 來(lái)作為對(duì)比，這樣有助于更好的理解。但是有一點(diǎn)大家要理解清楚，就是 UART 通信雖然用了 TXD 和 RXD 兩根線，但是實(shí)際一次通信中，1條線就可以完成，2條線是把發(fā)送和接收分開(kāi)而已，而 I2C 每次通信，不管是發(fā)送還是接收，必須2條線都參與工作才能完成，為了更方便的看出來(lái)每一位的傳輸流程，我們把圖14-2改進(jìn)成圖14-3。

圖14-3 I2C 通信流程解析

起始信號(hào)：UART 通信是從一直持續(xù)的高電平出現(xiàn)一個(gè)低電平標(biāo)志起始位；而 I2C 通信的起始信號(hào)的定義是 SCL 為高電平期間，SDA 由高電平向低電平變化產(chǎn)生一個(gè)下降沿，表示起始信號(hào)，如圖14-3中的 Start 部分所示。

數(shù)據(jù)傳輸：首先，UART 是低位在前，高位在后；而 I2C 通信是高位在前，低位在后。其次，UART 通信數(shù)據(jù)位是固定長(zhǎng)度，波特率分之一，一位一位固定時(shí)間發(fā)送完畢就可以了。而 I2C 沒(méi)有固定波特率，但是有時(shí)序的要求，要求當(dāng) SCL 在低電平的時(shí)候，SDA 允許變化，也就是說(shuō)，發(fā)送方必須先保持 SCL 是低電平，才可以改變數(shù)據(jù)線 SDA，輸出要發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)的一位；而當(dāng) SCL 在高電平的時(shí)候，SDA 絕對(duì)不可以變化，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候，接收方要來(lái)讀取當(dāng)前 SDA 的電平信號(hào)是0還是1，因此要保證 SDA 的穩(wěn)定，如圖14-3中的每一位數(shù)據(jù)的變化，都是在 SCL 的低電平位置。8位數(shù)據(jù)位后邊跟著的是一位應(yīng)答位，應(yīng)答位我們后邊還要具體介紹。

停止信號(hào)：UART 通信的停止位是一位固定的高電平信號(hào)；而 I2C 通信停止信號(hào)的定義是 SCL 為高電平期間，SDA 由低電平向高電平變化產(chǎn)生一個(gè)上升沿，表示結(jié)束信號(hào)，如圖14-3中的 Stop 部分所示。