【藍橋杯單片機設計與開發(fā)】(14)IIC總線概念簡述IIC總線協(xié)議1)IIC總線的概念 IIC總線是一種串行總線,用于連接微控制器及其外圍設備,具有以下特點: ①兩條總線線路:一條串行數(shù)據(jù)線(SDA),一條串行時鐘線(SCL) ②每個連接到總線的器件都可以使用軟件更具它的唯一的地址來識別 ③傳輸數(shù)據(jù)的設備間是簡單的主從關系 ④主機可以用作主機發(fā)送器或主機接收器 ⑤它是一個多主機總線,兩個或多個主機同時發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸時,可以通過沖突檢測和仲裁來方式數(shù)據(jù)被破壞 ⑥串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸,位速率在標準模式下可達100kbit/s,在快速模式下可達400kbit/s,在高速模式下可達3.4Mbit/s(我們是模擬的一般標準速度就算不錯) ⑦片上的濾波器可以增加干擾功能,保證數(shù)據(jù)的完整 ⑧連接到同一總線上的IC數(shù)量受到總線最大電容的限制 發(fā)送器:發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的器件 接收器:從總線接收數(shù)據(jù)的器件 主機:發(fā)起/停止數(shù)據(jù)傳輸、提供時鐘信號的器件 從機:被主機尋址的器件 多主機:可以有多個主機試圖去控制總線,但是不會破壞數(shù)據(jù) 仲裁:當多個主機試圖去控制總線時,通過仲裁可以使得只有一個主機獲得總線控制權,并且它傳輸?shù)男畔⒉粫黄茐?/font> 同步:多個器件同步時鐘信號的過程 I2C總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時,兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平,都將使總線的信號變低,即各器件的SDA及SCL都是線“與”關系。 每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件,這時主機即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。 在多主機系統(tǒng)中,可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂, I2C總線要通過總線仲裁,以決定由哪一臺主機控制總線。 在80C51單片機應用系統(tǒng)的串行總線擴展中,我們經常遇到的是以80C51單片機為主機,其它接口器件為從機的單主機情況。 數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定: I2C總線進行數(shù)據(jù)傳送時,時鐘信號為高電平期間,數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定,只有在時鐘線上的信號為低電平期間,數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。 2)IIC總線的信號類型IIC總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有3種類型信號:開始信號、結束信號和響應信號 ①開始信號(S):SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變,表示起始信號,開始傳送數(shù)據(jù) ②結束信號(P):SCL為高電平時,SDA由低電平向高電平跳變,表示結束信號,結束傳送數(shù)據(jù) ③響應信號(ACK):接收器在接收到8位數(shù)據(jù)后,在第9個時鐘周期,拉低SDA電平。即接收數(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)出一個應答信號,CPU接收到應答信號后,根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號,由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 開始信號S和結束信號P 起始和終止信號都是由主機發(fā)出的,在起始信號產生后,總線就處于被占用的狀態(tài);在終止信號產生后,總線就處于空閑狀態(tài)。 連接到I2C總線上的器件,若具有I2C總線的硬件接口,則很容易檢測到起始和終止信號。對于不具備I2C總線硬件接口的有些單片機來說,為了檢測起始和終止信號,必須保證在每個時鐘周期內對數(shù)據(jù)線SDA采樣兩次。 接收器件收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后,有可能需要完成一些其它工作,如處理內部中斷服務等,可能無法立刻接收下一個字節(jié),這時接收器件可以將SCL線拉成低電平,從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個字節(jié)時,再釋放SCL線使之為高電平,從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進行。 應答信號ACK 3)IIC總線的數(shù)據(jù)傳輸格式發(fā)送到SDA線上的每個字節(jié)必須是8位的,每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每一個字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時,先傳送最高位(MSB),每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應答位(即一幀共有9位)。 如果從機要完成一些其他功能后才能繼續(xù)接收或發(fā)送,從機可以拉低SCL迫使主機進入等待狀態(tài)。當從機準備好接收并釋放SCL后,數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸。如果主機在傳輸數(shù)據(jù)期間也需要完成一些其他功能葉可以拉低SCL以占住總線。 啟動一個傳輸時,主機先發(fā)出S信號,然后發(fā)出8位數(shù)據(jù)。前7位為從機地址,第8位表示傳輸方向(0表示寫操作,1表示讀操作)。被選中的從機發(fā)出響應信號。跟著傳輸一系列字節(jié)及響應位。最后,主機發(fā)出P信號結束。 由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時(如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)),它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平,而由主機產生一個終止信號以結束總線的數(shù)據(jù)傳送。 如果從機對主機進行了應答,但在數(shù)據(jù)傳送一段時間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時,從機可以通過對無法接收的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應答”通知主機,主機則應發(fā)出終止信號以結束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。 當主機接收數(shù)據(jù)時,它收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后,必須向從機發(fā)出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答”來實現(xiàn)的。然后,從機釋放SDA線,以允許主機產生終止信號。 下列三種情況不會有ACK信號: ①當從機不能響應從機地址時(從機忙于其他事無法響應IIC總線操作或這個地址沒有對應從機),在第9個SCL周期內SDA線沒有被拉低,即沒有ACK信號。這時,主機發(fā)送一個P信號終止傳輸或者重新發(fā)送一個S信號開始新的傳輸 ②從機接收器在傳輸過程中不能接收更多的數(shù)據(jù)時,也不會發(fā)出ACK信號。主機意識到這點,從而發(fā)出一個P信號終止傳輸或者從新發(fā)送一個S信號開始新的傳輸 ③主機接收器在接收到最后一個字節(jié)時,也不會發(fā)出ACK信號,于是,從機發(fā)送器釋放SDA線,允許主機發(fā)送P信號結束傳輸 4)IIC總線的數(shù)據(jù)幀格式I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的,既包括地址信號,又包括真正的數(shù)據(jù)信號。 在起始信號后必須傳送一個從機的地址(7位),第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位(R/),用“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)(T),“1”表示主機接收數(shù)據(jù)(R)。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機產生的終止信號結束。但是,若主機希望繼續(xù)占用總線進行新的數(shù)據(jù)傳送,則可以不產生終止信號,馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機進行尋址。 在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中,可以有以下幾種組合方式: a、主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳送方向在整個傳送過程中不變: 注:有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機向從機傳送,無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機向主機傳送。 A表示應答, 表示非應答(高電平)。S表示起始信號,P表示終止信號。 b、主機在第一個字節(jié)后,立即由從機讀數(shù)據(jù) c、在傳送過程中,當需要改變傳送方向時,起始信號和從機地址都被重復產生一次,但兩次讀/寫方向位正好反相。 5)IIC總線的尋址I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定:采用7位的尋址字節(jié)(尋址字節(jié)是起始信號后的第一個字節(jié))。 (1)尋址字節(jié)的位定義 D7~D1位組成從機的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位,為“0”時表示主機向從機寫數(shù)據(jù),為“1”時表示主機由從機讀數(shù)據(jù)。 主機發(fā)送地址時,總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較,如果相同,則認為自己正被主機尋址,根據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接收器。 從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統(tǒng)中可能希望接入多個相同的從機,從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個從機的7位尋址位有4位是固定位,3位是可編程位,這時僅能尋址8個同樣的器件,即可以有8個同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。 (2)尋址字節(jié)中的特殊地址 其中高四位為器件類型識別符(即固定地址編號0000和1111,不同的芯片類型有不同的定義,EEPROM一般應為1010),接著三位為片選,最后一位為讀寫位,當為1時為讀操作,為0時為寫操作。 起始信號后的第一字節(jié)的8位為“0000 0000”時,稱為通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節(jié)中加以說明。 格式為: 第二字節(jié)為 06H時,所有能響應通用呼叫地址的從機器件復位,并由硬件裝入從機地址的可編程部分。能響應命令的從機器件復位時不拉低SDA和SCL線,以免堵塞總線。 第二字節(jié)為 04H時,所有能響應通用呼叫地址并通過硬件來定義其可編程地址的從機器件將鎖定地址中的可編程位,但不進行復位。 如果第二字節(jié)的方向位B為“1”,則這兩個字節(jié)命令稱為硬件通用呼叫命令。 在這第二字節(jié)的高7位說明自己的地址。接在總線上的智能器件,如單片機或其他微處理器能識別這個地址,并與之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機使用時,也用這個地址作為從機地址。 格式為: 在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復位時硬件主機器件工作在從機接收器方式,這時由系統(tǒng)中的主機先告訴硬件主機器件數(shù)據(jù)應送往的從機器件地址,當硬件主機器件要發(fā)送數(shù)據(jù)時就可以直接向指定從機器件發(fā)送數(shù)據(jù)了。 (3)起始字節(jié) 起始字節(jié)是提供給沒有I2C總線接口的單片機查詢I2C總線時使用的特殊字節(jié)。 不具備I2C總線接口的單片機,則必須通過軟件不斷地檢測總線,以便及時地響應總線的請求。單片機的速度與硬件接口器件的速度就出現(xiàn)了較大的差別,為此,I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送要由一個較長的起始過程加以引導。 引導過程由起始信號、起始字節(jié)、應答位、重復起始信號(Sr)組成。 請求訪問總線的主機發(fā)出起始信號后,發(fā)送起始字節(jié)(0000 0001),另一個單片機可以用一個比較低的速率采樣SDA線,直到檢測到起始字節(jié)中的7個“0”中的一個為止。在檢測到SDA線上的高電平后,單片機就可以用較高的采樣速率,以便尋找作為同步信號使用的第二個起始信號Sr。 80C51單片機I2C串行總線器件的接口1)總線數(shù)據(jù)傳送的模擬主機可以采用不帶I2C總線接口的單片機,如80C51、AT89C2051等單片機,利用軟件實現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送,即軟件與硬件結合的信號模擬。 (1)典型信號模擬 (2)典型信號模擬子程序 ①起始信號 [backcolor=rgb(15, 25, 42) !important][size=1em][size=1em]01
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本章沒有需要下載的資料 本章的內容到這里就結束了,藍橋杯中我們需要用到的IIC總線的器件有兩個一個是AT24C02另一個是PCF8591,一個是儲存芯片一個是AD轉換芯片,這兩個芯片的應用我們在后續(xù)的教程中也會進一步講解。
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