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IIC總線定義與特點

I2C總線的工作原理

AVR的TWI模塊的使用方法

AT24C02

IIC inter integrated circuit 總線是一種由PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設備開發(fā)，如今主要在服務器管理中使用，其中包括單個組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對各個組件進行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如：電源和系統(tǒng)風扇，可隨時監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡、系統(tǒng)溫度等多個參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。

TWI:ATMega 系列單片機內(nèi)集成兩線制串行接口模塊，ATmegl文檔稱為TWI接口事實上TWI與PHILIOS的I2C總線是同一回事，之所以叫它TWI是因為這樣命名可使ATmel避免交術語版稅。所以，TWI是兼容I2C的一種說法。

I2C總線最只要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本�？偩€的長度可高達25英尺，并且能夠以10KPS的最大傳輸率支持40個組件，I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控（MULTIMASTERING）,其中任何能夠進行發(fā)送和接受的設備都可以稱為主總線，一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。

由于AVR 有上拉電阻所以 R1 R2 可以不要。其實還的共地應該是3根線。在多主控上有個總線總裁的知識可以參閱相關文檔學習。呵呵、初學者不用了解。

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構成的串行總線，可發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送、最高傳送速率100KBPS.各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，最高傳送速率100KBPS.各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能，CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。

oI2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。

o開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。

o結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數(shù)據(jù)。

o應答信號：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。

o這些信號中，起始信號是必需的，結束信號和應答信號，都可以不要。

發(fā)送地址跟上面右邊那個兩個發(fā)送數(shù)據(jù) 0 1 是一樣的由時鐘來鎖存相應的數(shù)據(jù)位，地址共七位，第8位是讀還是寫狀態(tài)，讀的話置1 寫置0 。第9位是應答為，切記應答位不是單片機發(fā)出的，而是I2C器件發(fā)出的。應答位是這樣產(chǎn)生的，I2C器件在接收到完整的8位數(shù)據(jù)之后，I2C器件判定接受成功，它會向總線發(fā)送一個應答信號，可以看到就是在一個時鐘脈沖期間，數(shù)據(jù)線SDA保持低電平就是0，當然發(fā)送完地址位之后呢？就發(fā)送數(shù)據(jù)，長度可能是可能1個字節(jié)或多個字節(jié)。數(shù)據(jù)的個數(shù)跟器件是有關系的。比如AT24C02 EEPROM芯片對他進行讀寫操作如寫可以進行1 2 4 8 字節(jié)，當?shù)刂窋?shù)據(jù)結束后來一個結束信號。表示這一幀結束了。

下面說下ATmega 16 的TWI模塊。下圖（由于ATmega 16 的技術文檔講的比較詳細了，所以我們也結合atmege 16 的數(shù)據(jù)手冊說了）。

這是兩線的一些特點：（自己翻一下吧）

一、簡單，但是強大而靈活的通訊接口，只需兩根線

二、支持主機和從機的操作

三、器件可以工作于發(fā)送或接受

四、7位地址空間允許128個從機

五、高達400KHZ的數(shù)據(jù)傳輸率

六、斜率受控制的輸出驅動器

七、可以抑制總線的尖峰噪聲控制器

八、完全可變成的從機地址以及公共地址

九、睡眠時地址匹配可以喚醒AVR

首先看下數(shù)據(jù)傳輸和幀格式下圖（傳輸數(shù)據(jù) （位））

（TWI總線上數(shù)據(jù)位的傳送與時鐘脈沖同步。時鐘線為高時，數(shù)據(jù)線電壓必須保持穩(wěn)定，除非在啟動與停止的狀態(tài)下。官方的解釋）

其實這個圖說明在SCL為高電平期間 SDA 數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定0 或1

當然還有起始位與停止位如下圖

（翻譯如下）

{

主機啟動與停止數(shù)據(jù)傳輸。主機在總線上發(fā)出START信號以啟動數(shù)據(jù)傳輸；在總線上發(fā)出STOP信號以停止數(shù)據(jù)傳輸。在START與STOP 狀態(tài)之間，需要假定總線忙，不允許其它主機控制總線。特例是在START與STOP 狀態(tài)之間發(fā)出一個新的START狀態(tài)。這被稱為REPEATED START狀態(tài)，適用于主機在不放棄總線控制的情況下啟動新的傳送。在REPEATED START之后，直到下一個STOP，需要假定總線處于忙的狀態(tài)。這與START是完全一樣的，因此在本手冊中，如果沒有特殊說明，START與REPEATEDSTART均用START表述。如下所示，START與STOP狀態(tài)是在SCL線為高時，通過改變SDA電平來實現(xiàn)的。

}
開始停止時序圖

像這個圖中間的一些開始停止和從新開始在絕大數(shù)都是用不到的。就不細說了。

下圖是地址數(shù)據(jù)包格式（好好看看是地址數(shù)據(jù)的講解）

翻譯下：所有在TWI總線上傳送的地址包均為9位，包括7位地址位、1位READ/WRITE控制
位與1位應答位。如果READ/WRITE為1，則執(zhí)行讀操作；否則執(zhí)行寫操作。從機被尋
址后，必須在第九個SCL (ACK)周期通過拉低SDA作出應答。若該從機忙或有其它原因
無法響應主機，則應該在ACK周期保持SDA為高。然后主機可以發(fā)出STOP狀態(tài)或
REPEATED START 狀態(tài)重新開始發(fā)送。地址包包括從機地址與分別稱為SLA+R或
SLA+W的READ或WRITE位。

地址字節(jié)的MSB首先被發(fā)送。從機地址由設計者自由分配，但需要保留地址0000 000
作為廣播地址。
當發(fā)送廣播呼叫時，所有的從機應在ACK周期通過拉低SDA作出應答。當主機需要發(fā)送
相同的信息給多個從機時可以使用廣播功能。當Write位在廣播呼叫之后發(fā)送，所有的從
機通過在ACK周期通過拉低SDA作出響應。所有的從機接收到緊跟的數(shù)據(jù)包。注意在整
體訪問中發(fā)送Read位沒有意義，因為如果幾個從機發(fā)送不同的數(shù)據(jù)會帶來總線沖突。
所有形如1111 xxx格式的地址都需要保留，以便將來使用。

地址包格式圖下圖：

這個圖從右邊往左邊看先發(fā)送的最高位最后發(fā)的是低位。從 1---9 最后一位 ACK 響應。

下面是數(shù)據(jù)包下圖

官方解釋

可見數(shù)據(jù)包是8位數(shù)據(jù)加一個應當位。

下圖是地址和數(shù)據(jù)包一個完整的傳輸。組合一起

SLA +RW 就是地址數(shù)據(jù) 的傳送的字節(jié)數(shù)由應用程序的協(xié)議決定。 1個字節(jié) 2 4 8 個字節(jié)數(shù)據(jù)。

下圖是多主機總線系統(tǒng)如圖（這個大部分場合用不到所以不用看以后可以了解下）

解釋

下面講解下TWI 模塊的使用方法：如圖構成

首先看下SCL SDA 有兩個引腳是在22 與23 腳 PC0 PC1 下面是這兩腳的說明

還有一個波特率發(fā)聲單元與USART相似他控制SCL 的時鐘周期，當然這個比特率有兩個寄存器決定，TWBR TWPS 有SCL frequency 公式的。CPU的單片機晶振頻率除以 16加上2倍的TWBR 乘以4的TWPS它的次數(shù)注意：如果工作在主機模式不應該小于10 下面有解釋

下面是總線的接口單元主要包括一些寄存器總線總裁。我們沒必要關心然后又一個地址匹配單元看下啊（只有在多級通訊時候多個單片機進行I2C通訊時候我們給每個單片機設置一個本機地址如果匹配了表示發(fā)給自己的，初學者一般也不看）最下面是控制器有圖都復制上來吧！還有官方中文解釋。

解釋有下圖

其實都不重要我們要TWI 寄存器它的使用是重要的。呵呵開始講吧！最終我們的應用都是對這些寄存器操作。

首先是比特率上面有公式第一個寄存器

這個是控制寄存器非常重要。

第二個寄存器 TWCR

首先是第7位 TWINT: TWI 中斷標志

在什么時候產(chǎn)生中斷呢？當發(fā)送完地址包數(shù)據(jù)包，注意這一位清0呢。必須手動清0 必須通過軟件寫1，不像其他的中斷能夠自動置1.

第6位（使能TWI 應答）這個TWEA 在多級通訊時候，就是有其他的I2C器件向AVR單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，這時候AVR 單片機在接受到一幀數(shù)據(jù)之后，它會發(fā)送一個應答位，也就是使能這位后，向發(fā)送放返回一個應答位這種信息。

官方解釋

第5位（是一個狀態(tài)標志位，TWSTA它表示的是TWI START 這個信號。第4位和第5位都是多級通訊用的到的。）

官方解釋

第3位：TWWC 是TWI 的寫碰撞標志。

就是標志出TWDR 數(shù)據(jù)寄存器是否可以寫。如果為低的時候可以寫數(shù)據(jù)

第2位：TWI 使能。置位此位TWI 。如果使用TWI模塊此位必須模塊激活。

第1位：是保留位沒有作用的。

第0位：TWIE 使能TWI 中斷。（要中斷方式使用TWI 總線的的話就要使能這個位置位）

第3個寄存器：狀態(tài)寄存器

它的第7位到第3位 5位反應TWI邏輯總線的狀態(tài)，不同的狀態(tài)的狀態(tài)代碼會在后面部分描述，所以我們在讀取這5位狀態(tài)代碼的時候，讀取方法就是先讀取這個寄存器然后通過與這個0b11111000將最后兩位屏蔽掉因為TWPS是預分頻位，在比特率發(fā)生器里面是有作用的，有公式的 4的指數(shù)

第四個寄存器：TWDR （類似于USART SPI 的數(shù)據(jù)寄存器差不多的）

發(fā)送模式包含字節(jié)，接受模式包含接受到的數(shù)據(jù)。

第五個寄存器：TWAR 從機地址寄存器

（多級通訊用的到）

如何使用TWI

其實這個圖跟一次完整數(shù)據(jù)傳輸類似的。所有的不同在這第 3個階段結束的時候有一個TWI中斷觸發(fā)也就是TWINT這一位被置位，可以用于觸發(fā)中斷。

第一步：向TWCR 寫一個1 使能一個START 信號。就是通過TWCR 寄存器的內(nèi)容進行一個發(fā)START信號的操作。發(fā)送成功之后會有一個TWINT中斷，在中斷里面SCL時鐘不采取任何動作的。

第二步：在中斷里面通過查詢 status code 就是那五位數(shù)據(jù)看是何種狀態(tài)，來確定是start 發(fā)送完成中斷。

第三步：發(fā)送一個地址包，就是程序將SLA(從機地址) +W （讀寫位）就是7位從機地址加1位讀寫位，寫入到TWDR 數(shù)據(jù)寄存器對這些寄存器進行一些確認操作。

第四步：在數(shù)據(jù)包發(fā)送完成和接受到ACK信號之后繼續(xù)等待第2個中斷。接收到ACK信號之后呢TWINT會置位。

第五步：再處理一次中斷，在這個中斷里寫入數(shù)據(jù)字節(jié)，也是8位數(shù)據(jù)

第六步：8位數(shù)據(jù)發(fā)送成功接受到ACK TWINT 會再次置位，那么這個 status code 會指示出發(fā)送完成。當然這只是發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，如果發(fā)送多個數(shù)據(jù)這個過程會持續(xù)多次，一直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成。

第七步：接受完成之后且接收到ACK 我們這里會發(fā)送一個STOP信號，也是通過寫TWCR寄存器來實現(xiàn)的。當然STOP發(fā)送成功之后不會觸發(fā)中斷。值得注意的是中間如果進行多字節(jié)的讀或寫的話發(fā)送的字節(jié)數(shù)是由編程來把握的，也就是說AVR單片機不會知道你要發(fā)多少個字節(jié)。所以這個處理相當于在第7步這里。如果我們程序判斷我們程序已經(jīng)發(fā)送完畢，我們就發(fā)一個STOP信號若如果，沒有就重復一下第五步。這就是ATmega 16的TWI總線的使用方法。下面我們結合24c02一個實際的程序來給大家吹吹牛。

oAT24C02是由ATMEL公司提供的，I2C總線串行EEPROM，其容量為2Kbit（256B），工作電壓在2.7V～5.5V之間，生產(chǎn)工藝是CMOS工藝。
各引腳功能如下。
A2～A0：器件地址選擇引腳。將這3個引腳配置成不同的編碼值，在同一串行總線上最多可擴充8片同一容量或不同容量的24系列串行EEPROM芯片。
SDA：串行數(shù)據(jù)輸入輸出口，是一個雙向的漏極開路結構的引腳，容量擴展時可以將多片24系列的SDA引腳直接相連。
SCL：串行移位時鐘控制端。寫入時上升沿起作用，讀出時下降沿起作用。
WP：硬件寫保護控制引腳。當其為低電平時，正常寫操作，高電平時，對EEPROM部分存儲區(qū)域提供硬件寫保護功能，即對被保護區(qū)域只能讀不能寫。
GND：接地。
VCC：接+5V電壓

2k位 256*8 = 2K 等于256b

地址值相當于低三位 0 1 2 組合 8個數(shù)字

7 硬件寫保護低電平可以正常寫操作高的話只能讀所以我們接地OK了

它的相關電路設計如下圖

我們設置的時候都會將他的地址值變?yōu)? 0 1 2 全接地線，5 6 PC0 PC1 因為第2功能是TWI 總線

0.1uf進行電源退耦，一般數(shù)字芯片高速的數(shù)字時鐘對所在電源產(chǎn)生干擾。凈化電源。

容量計算方法
AT24Cxx：01~1024
容量=xx X 1Kbit
型號系列列表
AT24C01 1K(128X8) AT24C02 2K(256X8)
AT24C04 4K(512X8)
AT24C08 8K(1KX8)
AT24C16 16K(2KX8)
AT24C512 512K(64KX8)
AT24C1024 1M(128KX8)

值得一提是AVR單片機片上自帶EEPROM 芯片，而且是1K字節(jié)相當于24C08這個容量。而我們24c02實際應用并不大。當然有一些應用場合必須外置的。因為是學習板，因為這個芯片比較常見，學習I2C總線的作用。

下圖為總體的操作流程