51單片機I2C詳解與程序源碼

ID:338578 · 發(fā)表于 2018-5-26 12:09

I2C是由Philips公司發(fā)明的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，僅使用兩根信號線：SerialClock（簡稱SCL）和SerialData（簡稱SDA）。I2C是總線結(jié)構(gòu)，1個Master，1個或多個Slave，各Slave設(shè)備以7位地址區(qū)分，地址后面再跟1位讀寫位，表示讀（=1）或者寫（=0），所以我們有時也可看到8位形式的設(shè)備地址，此時每個設(shè)備有讀、寫兩個地址，高7位地址其實是相同的。
I2C數(shù)據(jù)格式如下：
無數(shù)據(jù)：SCL=1，SDA=1；
開始位（Start）：當SCL=1時，SDA由1向0跳變；
停止位（Stop）：當SCL=1時，SDA由0向1跳變；
數(shù)據(jù)位：當SCL由0向1跳變時，由發(fā)送方控制SDA，此時SDA為有效數(shù)據(jù)，不可隨意改變SDA；
當SCL保持為0時，SDA上的數(shù)據(jù)可隨意改變；
地址位：定義同數(shù)據(jù)位，但只由Master發(fā)給Slave；
應(yīng)答位（ACK）：當發(fā)送方傳送完8位時，發(fā)送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否應(yīng)答位（NACK）：當發(fā)送方傳送完8位時，發(fā)送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。
當數(shù)據(jù)為單字節(jié)傳送時，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應(yīng)答，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，停止位。
當數(shù)據(jù)為一串字節(jié)傳送時，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應(yīng)答，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，……，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，停止位。
需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照數(shù)據(jù)傳送的方向，讀數(shù)據(jù)時由Slave控制SDA，寫數(shù)據(jù)時由Master控制SDA。當8位數(shù)據(jù)傳送完畢之后，應(yīng)答位或者否應(yīng)答位的SDA控制權(quán)與數(shù)據(jù)位傳送時相反。
2，開始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master來發(fā)出。
3，地址的8位傳送完畢后，成功配置地址的Slave設(shè)備必須發(fā)送“ACK”。否則否則一定時間之后Master視為超時，將放棄數(shù)據(jù)傳送，發(fā)送“Stop”。
4，當寫數(shù)據(jù)的時候，Master每發(fā)送完8個數(shù)據(jù)位，Slave設(shè)備如果還有空間接受下一個字節(jié)應(yīng)該回答“ACK”，Slave設(shè)備如果沒有空間接受更多的字節(jié)應(yīng)該回答“NACK”，Master當收到“NACK”或者一定時間之后沒收到任何數(shù)據(jù)將視為超時，此時Master放棄數(shù)據(jù)傳送，發(fā)送“Stop”。
5，當讀數(shù)據(jù)的時候，Slave設(shè)備每發(fā)送完8個數(shù)據(jù)位，如果Master希望繼續(xù)讀下一個字節(jié)，Master應(yīng)該回答“ACK”以提示Slave準備下一個數(shù)據(jù)，如果Master不希望讀取更多字節(jié)，Master應(yīng)該回答“NACK”以提示Slave設(shè)備準備接收Stop信號。
6，當Master速度過快Slave端來不及處理時，Slave設(shè)備可以拉低SCL不放（SCL=0將發(fā)生“線與”）以阻止Master發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。此時Master將視情況減慢或結(jié)束數(shù)據(jù)傳送。
在實際應(yīng)用中，并沒有強制規(guī)定數(shù)據(jù)接收方必須對于發(fā)送的8位數(shù)據(jù)做出回應(yīng)，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO軟件模擬的方法來實現(xiàn)的情況下，編程者可以事先約定數(shù)據(jù)傳送的長度，slave不檢查NACK，有時可以起到減少系統(tǒng)開銷的效果。但是如果slave方是硬件i2c要求一定要標準的NACK，master方是GPIO軟件模擬i2c并沒有正確的發(fā)送NACK，就會出現(xiàn)“slave收不到stop”導致i2c掛死。

在正常情況下，I2C總線協(xié)議能夠保證總線正常的讀寫操作。但是，當I2C主設(shè)備異常復(fù)位時(看門狗動作，板上電源異常導致復(fù)位芯片動作，手動按鈕復(fù)位等等)有可能導致I2C總線死鎖產(chǎn)生。下面詳細說明一下總線死鎖產(chǎn)生的原因。

在I2C主設(shè)備進行讀寫操作的過程中.主設(shè)備在開始信號后控制SCL產(chǎn)生8個時鐘脈沖，然后拉低SCL信號為低電平，在這個時候，從設(shè)備輸出應(yīng)答信號，將SDA信號拉為低電平。如果這個時候主設(shè)備異常復(fù)位，SCL就會被釋放為高電平。此時，如果從設(shè)備沒有復(fù)位，就會繼續(xù)I2C的應(yīng)答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變?yōu)榈碗娖�，才會結(jié)束應(yīng)答信號。而對于I2C主設(shè)備來說.復(fù)位后檢測SCL和SDA信號，如果發(fā)現(xiàn)SDA信號為低電平，則會認為I2C總線被占用，會一直等待SCL和SDA信號變?yōu)楦唠娖�。這樣，I2C主設(shè)備等待從設(shè)備釋放SDA信號，而同時I2C從設(shè)備又在等待主設(shè)備將SCL信號拉低以釋放應(yīng)答信號，兩者相互等待，I2C總線進人一種死鎖狀態(tài)。同樣，當I2C進行讀操作，I2C從設(shè)備應(yīng)答后輸出數(shù)據(jù)，如果在這個時刻I2C主設(shè)備異常復(fù)位而此時I2C從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)位正好為0，也會導致I2C總線進入死鎖狀態(tài)。

方法

(1)盡量選用帶復(fù)位輸人的I2C從器件。

(2)將所有的從I2C設(shè)備的電源連接在一起，通過MOS管連接到主電源，而MOS管的導通關(guān)斷由I2C主設(shè)備來實現(xiàn)。
(3)在I2C從設(shè)備設(shè)計看門狗的功能。

(4)在I2C主設(shè)備中增加I2C總線恢復(fù)程序。

每次I2C主設(shè)備復(fù)位后，如果檢測到SDA數(shù)據(jù)線被拉低，則控制I2C中的SCL時鐘線產(chǎn)生9個時鐘脈沖(針對8位數(shù)據(jù)的情況，“9個clk可以激活”的方法來自NXP的文檔，NXP（Philips）作為I2C總線的鼻祖，這樣的說法是可信的)，這樣I2C從設(shè)備就可以完成被掛起的讀操作，從死鎖狀態(tài)中恢復(fù)過來。

這種方法有很大的局限性，因為大部分主設(shè)備的I2C模塊由內(nèi)置的硬件電路來實現(xiàn)，軟件并不能夠直接控制SCL信號模擬產(chǎn)生需要時鐘脈沖。

或者，發(fā)送I2C_Stop條件也能讓從設(shè)備釋放總線。

如果是GPIO模擬I2C總線實現(xiàn)，那么在I2C操作之前，加入I2C總線狀態(tài)檢測I2C_Probe，如果總線被占用，則可嘗試恢復(fù)總線，待總線釋放后，再進行操作。要保證I2C操作最小單元的完整性，不被其他事件（中斷、高優(yōu)先級線程，等）打斷。

(5)在I2C總線上增加一個額外的總線恢復(fù)設(shè)備。這個設(shè)備監(jiān)視I2C總線。當設(shè)備檢測到SDA信號被拉低超過指定時間時，就在SCL總線上產(chǎn)生9個時鐘脈沖，使I2C從設(shè)備完成讀操作，從死鎖狀態(tài)上恢復(fù)出來�？偩€恢復(fù)設(shè)備需要有具有編程功能，一般可以用單片機或CPLD實現(xiàn)這一功能。

(6)在I2C上串人一個具有死鎖恢復(fù)的I2C緩沖器，如Linear公司的LTC4307是一個雙向的I2C總線緩沖器，并且具有I2C總線死鎖恢復(fù)的功能。LTC4307總線輸入側(cè)連接主設(shè)備，總線輸出側(cè)連接所有從設(shè)備。當LTC4307檢測到輸出側(cè)SDA或SCL信號被拉低30ms時，就自動斷開I2C總線輸入側(cè)與輸出側(cè)的連接.并且在輸出側(cè)SCL信號上產(chǎn)生16個時鐘脈沖來釋放總線。當總線成功恢復(fù)后，LTC4307會再次連接輸入輸出側(cè)，使總線能夠正常工作。