IIC原理与应用.ppt

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I2C公用二总线结构,一、I2C总线规范简介,在器件（IC）之间，使用两根信号线（SDA和SCL）串行的方法进行信息传送的并允许若干兼容器件共享的二线总线，称为I2C总线。

1.I2C总线的概念,InterIntegratedCircuit,DECTcordlessphonebase-station,DigitalEnhancedCordlessTelecommunications,SDA（SerialDAta）线称为串行数据线，其上传输双向的数据；SCL（SerialCLock）线称为串行时钟线，其上传输时钟信号，用来同步串行数据线上的数据。

I2C总线上的器件，SDA和SCL引脚都是一个开漏输出端。

挂接在I2C总线上的器件（或IC），根据其功能可分为两种：

主控器件和从控器件。

主控器件：

控制总线存取，产生串行时钟（SCL）信号，并产生启动传送信号及结束传送信号的器件，总线必须由一个主控器件控制。

主控器件一般称主器件（主机）。

从控器件：

在总线上被主控器件寻址的器件，它们根据主控器件的命令来接收和发送数据。

从控器件一般称从器件（从机）。

I2C总线系统是一个允许多主的系统。

系统中的某一器件有四种可能的工作方式：

主发送方式、主接收方式、从发送方式和从接收方式。

在I2C总线上的所有器件是按照如下的数据传输协议协调工作的：

据此定义以下总线条件：

总线不忙,SCL=SDA=1,只有当总线不忙时，数据传输才能开始；,当串行时钟线为高电平时，串行数据线的变化将认为是传送的开始或停止；当串行时钟线为低电平时，才允许串行数据线发生变化；,数据传送期间，无论何时串行时钟线为高电平，串行数据线必须保持稳定。

开始数据传送,停止数据传送,起始信号（START）,停止信号（STOP）,数据有效（Datavalidity）,应答（Acknowledge）,2.7位的地址格式,主发送到从接收,主机发送，从机接收，传输的方向不会改变,从发送到主接收,主机在发送完第一个字节后，立即读从机。

第一次响应仍由从机产生，在第一次响应后主机变成接受器，从机变成发送器。

停止条件由主机发出。

复合格式,传输改变方向的时侯，起始条件和从机地址都会被重复，且R/W位取反。

如果主机作为接收，发送一个重复起始条件，它之前应该发送了一个不响应信号（A）。

仲裁和时钟发生,时钟同步,仲裁,3.I2C总线主要功能特点：

在主控器件和从控器件之间双向传送数据；无中央主控器件的多主总线；多主传送时，不发生错误；可以使用不同的位速率；串行时钟作为交接信号；可用于测试和诊断目的。

在单片机应用系统中，单主结构占绝大多数。

在单主系统中，I2C总线的数据传送状态要简单得多，没有总线竞争与同步问题，只有作为主器件的单片机对I2C总线器件的读/写操作。

这就简化了模拟软件的设计工作。

有I2C总线的单片机中，可以直接用I2C总线来进行系统的串行扩展；对于80C51系列单片机，大多数没有I2C总线接口功能，而是采用软件模拟双向数据传送协议的方法，来实现系统的串行扩展。

二、利用I2C总线扩展单片机的外部功能,1.利用模拟I2C扩展串行E2PROM,

（1）串行E2PROM24LC32的特点及引脚,24LC32是32Kb（4K8位）串行存取的电擦除可编程的只读存储器E2PROM。

特点：

芯片对快速写操作具有8个8B字节页面、或者64字节的高速缓存器，并具有二线串行接口。

在I2C上作从器件使用;,可在电源电压低到2.5V的条件下工作，芯片还有功率等待模式，以降低功耗；等待电流和额定电流分别为1A和3mA（写）；,地址线允许8片24LC32连接到相同的总线上，得到256Kb位地址空间。

引脚：

A0、A1、A2：

芯片地址输入端,WP：

写保护端,

（2）器件的寻址和操作,控制字节和器件寻址,作为从器件，接收到的下两个字节定义了第一个数据字节的地址。

由于仅用A0A11，所以最高4位地址码必须为0。

但对于ATMEL公司的产品来说，无此规定。

地址的最高有效字节的最高有效位最先发送。

写操作,字节写,主器件发出开始条件以后，再发送R/W=0的控制字节到总线上。

这指示被寻址的从接收器的两个地址字节及一个数据字节将跟在第9个时钟周期产生的确认（应答）位之后。

0,主器件发送的下一个字节是字地址的高地址字节，应答后，接着是低地址字节，再次应答后，它们将被写入24LC32的地址指针。

随后主器件发送写入到被寻址的存储器里的数据字节。

24LC32应答后，主器件发出停止条件。

R/W=0时，将启动写操作。

页面写,写控制字节、字地址和第一个数据字节以与字节写相同的方式发送到24LC32。

但是替代产生停止条件，主器件可发送多达8页的8个数据字节（总共64个字节）。

24LC32先将这些数据字节暂存在片内的页面高速缓存器中。

一旦接收到主器件的停止条件后，则内部的写周期开始，这些数据字节将从页面高速缓存器中写入E2PROM阵列。

接收到每一个字节后，24LC32的低6位顺序地址指针在内部加1，高6位顺序地址指针保持不变。

如果主器件在产生停止条件以前要发送多于8个字节的数据（越过页边界写），地址计数器的低3位将会翻转，并且指针将加1，指向页面高速缓存器的下一页。

这样重复8次后或者直至高速缓存器存满时，主器件产生停止条件。

如果停止条件没有接收到，高速缓存器指针将翻转到第一页（字节0），这之后再接收到的数据将覆盖以前所获得的数据。

在发送期间的任何时刻都可传送停止条件。

应答查询,由于在写周期期间，器件将不会应答，所以，这一点可以用来决定写周期在什么时候完成。

一旦针对写命令的停止条件由主器件发出，从器件开始进行内部定时写周期，主器件的ACK查询被立即启动。

如果写周期器件仍然很忙，则ACK信号将不会产生；如果周期已经完成，则器件将产生ACK信号。

主器件将可以进行下一次的读或写操作。

读操作,读当前地址内容,当控制字的R/W位被置为“1”时，将启动读操作。

存在三种基本的读操作类型：

读当前地址内容、读随意地址内容及读顺序地址内容。

1,0,1,0,1,读当前地址内容24LC32内部包含一个自动加1的地址计数器，它保存被存取过的最后一个字节的地址。

如果以前存取的地址为n，下一次读操作则从n+1地址中读数据。

在接收到的从地址中的R/W为1的情况下，24LC32发送一个应答位，并且送出8位数据。

主器件发出非应答信号（NOACK），使从器件释放数据线，以便主器件发出一个停止条件，从而终止数据传送。

读随意地址内容,此方式允许主器件以任意方式读存储器任意地址的内容。

这种读操作须先置字地址，即主器件将字地址作为写操作的一部分送给24LC32。

在发送了字地址以后，主器件在应答位之后产生一个开始条件。

这样可以在内部地址计数器置数后终止写操作。

主器件再次发R/W为1的控制字。

24LC32将发出应答位，并发送出8位数据。

主器件将发送非应答信号，并产生一个停止条件，从而终止发送。

读顺序地址内容,读顺序地址内容方式与读随意地址内容方式的启动方法一样，但是在24LC32发送第一个数据字节后，主器件不发出终止发送的信号（发送应答信号）。

24LC32继续发送下一个地址的8位数据，其内部的地址指针在操作后自动加1。

地址指针允许在一次操作期间，连续顺序地读出整个存储器。

当主器件接收到最后一个字节后，主器件将产生非应答信号及一个停止条件，终止传送。

（3）80C51与串行E2PROM24LC32的接口和编程,80C51与串行24LC32的接口,80C51与串行E2PROM24LC32的接口原理图,模拟I2C总线的编程,利用模拟仿真的方法，编写通用子程序。

这些通用子程序包括：

启动、停止、发送应答位及非应答位、应答位检查、单字节数据接收与发送。

以下子程序中，设定单片机所使用的晶体振荡器为6MHz，即机器周期为2S。

若晶体振荡器不是6MHz，则可根据情况增减程序中的NOP指令即可。

汇编语言编写的子程序:

SDABITP1.7SCLBITP1.6,A.启动I2C总线子程序：

START：

SETBSDASETBSCLNOPNOPCLRSDANOPNOPCLRSCLNOPRET,B.停止I2C总线子程序：

STOP：

CLRSDASETBSCLNOPNOPSETBSDANOPNOPCLRSCLNOPRET,C.发送应答位子程序：

S_ACK:

CLRSDASETBSCLNOPNOPCLRSCLSETBSDARET,D.应答位检查子程序：

子程序出口时，SDA线的状态存入标志位F0中，若有ACK，F0=0，否则F0=1。

C_ACK:

SETBSDA;SDA为输入状态SETBSCL;第9个时钟脉冲开始NOPMOVC,SDA;读SDA线MOVF0,C;存入F0中CLRSCL;第9个时钟脉冲结束NOPRET,E.单字节数据发送子程序：

将累加器A中的待发送数据送上SDA线。

WRBYT：

MOVR7,#8;发送8位WRBYT1:

RLCA;将发送位移入C中JCWRBYT2;此位为1,转WRBYT2CLRSDA;此位为0,发送0SETBSCL;时钟脉冲开始NOPNOPCLRSCL;时钟脉冲结束DJNZR7,WRBYT1;未发送完,转WRBYT1RET,WRBYT2:

SETBSDA;此位为1,发送1SETBSCL;时钟脉冲开始NOPNOPCLRSCL;时钟脉冲结束CLRSDADJNZR7,WRBYT1;未发送完,转WRBYT1RET,F.单字节数据接收子程序：

从SDA线上读一个字节的数据，存入A中。

RDBYT:

MOVR7,#8;接收8位RDBYT1:

SETBSDA;SDA为输入状态SETBSCL;时钟脉冲开始MOVC,SDA;读SDA线MOVA,R6;取回暂存结果RLCA;移入新接收位MOVR6,A;将结果暂存R6CLRSCL;时钟脉冲结束DJNZR7,RDBYT1;未读完8位,转RDBYT1RET;读完8位,返回,2.利用I2C扩展I/O接口,PCF8574T是一种单片CMOS电路，具有I2C总线接口和8位准双向口。

在I2C总线系统中仅作从器件。

具有低的电流损耗，最大静态电流为10A；,能输出大的电流，并有锁存功能，可直接驱动LED发光管；,有中断逻辑线；,3根硬件地址引脚使I2C总线系统可挂接8只PCF8574。

器件的串行时钟的最高频率为400kHz,SDA：

串行数据线，双向。

SCL：

串行时钟线，输入。

P7P0：

8位准双向输入/输出口。

准双向口的每一位可作输出或输出。

上电复位时，口的每一位均为高电平。

某位在作输入前，应置为高电平。

A2A0：

地址输入线。

INT：

中断输出线，低电平有效。

PCF8574的每个I/O口都可单独用作输入或输出。

输入通过读模式将数据传送到MCU，输出通过写模式将数据发送到端口。

寻址,PCF8574和PCF8574A的控制字节的配置,写模式（输出）,读模式（输入）,中断,在输入模式中（读），口输入信号的上升或下降沿产生中断。

PCF8574应用和编程,PCF8574作扩展8位输入口,PCF8574读方式的连接,将开关的状态读入片内RAM30H单元中。

程序如下：

RD8：

ACALLSTART；开始条件MOVA，#41H；PCF8574为读方式ACALLWRBYTACALLC_ACK；检查ACK信号JBF0，$ACALLRDBYT；读数据MOV30H，AACALLC_ACKJBF0，$ACALLSTOPAJMP$,PCF8574作扩8位输出口,PCF8574写方式的连接,程序如下：

WR8：

ACALLSTART；开始条件MOVA，#40H；PCF8574为写方式ACALLWRBYTACALLC_ACK；检查ACK信号JBF0，$MOVA，#0FFH；改变不同的立即数，；PCF8574的指示灯；相应的亮熄ACALLWRBYTACALLC_ACK；检查ACK信号JBF0，$ACALLSTOP；停止条件AJMP$,PCF8574作扩展4位输入口和4位输出口,PCF8574高4位输入、低4位输出的连接,程序如下：

STA:

ACALLSTART；开始条件MOVA，#41H；PCF8574为读方式ACALLWRBYTACALLC_ACK；检查ACK信号JBF0，$ACALLRDBYT；读数据SWAPACPLAMOV30H，AACALLSTOPACALLSTART；开始条件MOVA，#40H；PCF8574为写方式,ACALLWRBYTACALLC_ACK；检查ACK信号JBF0，$MOVA，30HACALLWRBYTACALLDELAY；延时子程序ACALLSTOP；停止条件LJMPSTA,6.4外部中断源的扩展,扩展4个外部中断源的电路,中断源查询程序的流程图,INT0的中断服务程序如下：

PINT0：

PUSHPSW；保护现场PUSHACCJBP1.0,LOOP1；转向中断服务程序1JBP1.1,LOOP2；转向中断服务程序2JBP1.2,LOOP3；转向中断服务程序3JBP1.2,LOOP4；转向中断服务程序4INTEND：

POPACC；恢复现场POPPSWRETI,；LOOP1：

中断服务程序1AJMPINTENDLOOP2：

中断服务程序2AJMPINTENDLOOP3：

中断服务程序3AJMPINTENDLOOP4：

中断服务程序4AJMPINTEND从程序中可以看出，这里定义的扩展外中断源1的优先级最高，扩展外中断源4的优先级最低，所以查询的顺序从P1.0开始。