I2C通信協(xié)議應(yīng)用及其注意事項

葉敬昌

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 概述

I2C總線只要求2條雙向通信線路SDA（串行數(shù)據(jù)）和SCL（串行時鐘）。每個器件都有一個唯一的地址，而且都可以作為一個發(fā)送器或接收器。如常用的存儲器既可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。除了發(fā)送器和接收器外器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時也可以被看作是主機(jī)或從機(jī)。主機(jī)初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r鐘信號，此時任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)。

I2C總線是一個多主機(jī)的總線，這就意味著可以連接多個能控制總線的器件到總線。SDA和SCL都是雙向線路，都通過一個電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓，因此當(dāng)總線空閑時，SDA和SCL都是高電平，同時連接到總線的器件輸出級必須是漏極開路或集電極開路。I2C總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s，在快速模式下可達(dá)400kbit/s，在高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s，但總線電容不能超過400pF。

2 I2C時序基礎(chǔ)

SDA為數(shù)據(jù)信號（數(shù)據(jù)口）、SCL為時鐘信號（高電平有效）。每次時鐘信號SCL有效（高電平）時，表示此時數(shù)據(jù)信號有效，從機(jī)可以讀取SDA數(shù)據(jù)信號；當(dāng)時鐘信號SCL無效（低電平）時，SDA數(shù)據(jù)信號無效，此時數(shù)據(jù)口（SDA）可以翻轉(zhuǎn)電平、改變IO口（輸入輸出翻轉(zhuǎn)等）等。見圖1。

數(shù)據(jù)通信需要有起始位（S）和結(jié)束位（P）。I2C規(guī)定：在時鐘有效時（高電平）數(shù)據(jù)口產(chǎn)生上升沿表示停止位（P位），產(chǎn)生下降沿表示開始位（S位）或重復(fù)開始（Sr位）。見圖2。

I2C規(guī)定：通信以字節(jié)為單位，即一次通信需要發(fā)送8位數(shù)據(jù)，從機(jī)每收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后需要反饋一個低電平應(yīng)答信號ACK；若主機(jī)需要改變原來的主從關(guān)系、讀取關(guān)系，則必須由新主機(jī)產(chǎn)生一個開始位（S）或重復(fù)開始位（Sr）。下面以連續(xù)通信數(shù)據(jù)包為例解析一下I2C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，見圖3。

通信開始，由主機(jī)置位數(shù)據(jù)口、時鐘口，在時鐘信號有效時，數(shù)據(jù)口產(chǎn)生一個下降沿，表示通信開始（S位）。之后在時鐘信號有效期間主機(jī)連續(xù)發(fā)送8位數(shù)據(jù)，這8位數(shù)據(jù)中前7位表示選中的從機(jī)地址，第8位表示操作指令。至此主機(jī)翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)口（由輸出口翻轉(zhuǎn)為輸入口），準(zhǔn)備讀取被選中的從機(jī)的應(yīng)答信號ACK。從機(jī)收到8位數(shù)據(jù)后，在下一個時鐘信號有效前（從機(jī)輸出），翻轉(zhuǎn)IO口（由輸入口翻轉(zhuǎn)為輸出口）輸出一個低電平應(yīng)答信號ACK，并輸出有效的時鐘信號給主機(jī)，表示一切就緒，準(zhǔn)備好了下一字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。至此通信信道建立，以后主機(jī)可以和該選中的從機(jī)連續(xù)通信，直到主機(jī)產(chǎn)生一個停止位（P位）。

當(dāng)通信過程中需要改變通信的方向，如，主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)后，需要讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)，則需要在主機(jī)向從機(jī)寫完數(shù)據(jù)后，在停止位（P位）之前，再產(chǎn)生一個開始位（此S位叫Sr重復(fù)開始位）。從機(jī)接收到Sr位后釋放總線等待指令，這時主機(jī)就可以重新尋址并發(fā)送操作指令（讀或?qū)懀?。尋址過程中可以選擇不同的從機(jī)也可以選著同一個從機(jī)，通信直到主機(jī)發(fā)送停止位（P位）后所有從機(jī)結(jié)束本次通信。

為了規(guī)范通信格式，I2C協(xié)議詳細(xì)規(guī)定了：高低電平保持時間、上升、下降沿斜率等時間要求及其在不同通信速率下的標(biāo)準(zhǔn)值。如：在普通模式下（100K速率以下），開始位的下降沿，必須在時鐘信號有效4uS之后產(chǎn)生才有效；在快速模式下為（400K速率）0.6uS；高速模式下（3.4M速率）為160nS。

3 I2C通信的應(yīng)用及其注意事項

在家電領(lǐng)域，使用到I2C協(xié)議的地方很多，如：傳感器通信、數(shù)據(jù)存儲等。但對于低成本產(chǎn)品來說，由于使用的MCU等器件受成本限制，不會含有太多片上資源，IO口復(fù)用成為這些低成本產(chǎn)品的首先，因而不依賴芯片硬件資源，通過普通IO口用軟件模擬I2C協(xié)議通信是軟件工程師必修的一門課程。

下面以MCU和記憶芯片通信為例，簡要說明一下，軟件模擬I2C的應(yīng)用及使用中的注意事項。

普通MCU和記憶芯片數(shù)據(jù)交換的通信電路，如圖4所示（為了方便說明這里以IC24C02記憶芯片為例且強(qiáng)制其地址拉地，即地址為“1010000X”，其中X代表操作指令，“0”為寫指令，“1”為讀指令）。

通信過程如下：

（1）主機(jī)（MCU）發(fā)送第一個字節(jié)A0H，表示選擇記憶芯片，操作為寫；

（2）主機(jī)讀取從機(jī)（記憶芯片）發(fā)送的應(yīng)答信號ACK；

（3）主機(jī)發(fā)送第二個字節(jié)00H，告訴記憶芯片將要操作內(nèi)部00H的存儲地址；

（4）主機(jī)讀取從機(jī)發(fā)送的應(yīng)答信號ACK；

（5）主機(jī)發(fā)送第三個字節(jié)A1H，表示選擇記憶芯片，操作為讀，（讀取的起始地址為上一字節(jié)的00H）。

（6）從機(jī)發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，等待主機(jī)的應(yīng)答信號ACK；

（7）主機(jī)讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，發(fā)送應(yīng)答信號ACK給從機(jī)；

（8）從機(jī)收到主機(jī)的應(yīng)答信號后，發(fā)送下一個字節(jié)數(shù)據(jù)；

（9）重復(fù)（6）、（7）、（8）通信，直到通信結(jié)束，主機(jī)發(fā)送停止位P；

（10）從機(jī)收到停止位P后，結(jié)束通信。

在這個通信過程中，特別要注意主機(jī)使用軟件模擬I2C協(xié)議，讀取應(yīng)答信號ACK時需要翻轉(zhuǎn)IO口（由輸出口變?yōu)檩斎肟冢?，翻轉(zhuǎn)IO口過程中輸入、輸出寄存器必須先清零，同時需要在時鐘信號SCL無效時翻轉(zhuǎn)，否則將出現(xiàn)莫名的高電平，如圖5所示。

究其原因，是主機(jī)翻轉(zhuǎn)IO口為輸入口讀取從機(jī)應(yīng)答信號后再次翻轉(zhuǎn)為輸出口準(zhǔn)備下一字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送時，輸出寄存器沒有清零（輸出高電平“1”），因而，主機(jī)發(fā)送了一個莫名的高電平，經(jīng)電阻分壓后，就如圖5所示的波形。

軟件模擬I2C通信協(xié)議時，時序問題尤為重要，按照I2C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，數(shù)據(jù)要在時鐘信號無效時才能改變。若在時鐘為高電平時產(chǎn)生上升沿則表示停止，產(chǎn)生下降沿表示開始（或重新開始）。

操作的流程為：開始（下降沿）——發(fā)送A0H（表示選擇記憶芯片，操作為寫）——讀取應(yīng)答信號ACK——發(fā)送00H（告訴記憶芯片將要操作內(nèi)部00H的存儲地址）——讀取應(yīng)答信號ACK——重新開始（改變操作）——發(fā)送A1H（表示選擇記憶芯片，操作為讀，讀取的起始地址為上一字節(jié)的00H）。

但在“重新開始”的操作過程中，由于時序操作不當(dāng)，產(chǎn)生了一個不應(yīng)該的停止位，也就表示了前面的通信結(jié)束。將導(dǎo)致后面發(fā)送A1H，讀取操作的時候，究竟讀取記憶芯片存儲器的哪個地址？是00H開始讀還是11H開始讀？I2C協(xié)議沒有規(guī)定，將導(dǎo)致后面讀取操作失敗。如圖6所示。

反應(yīng)在源代碼上就是程序先使時鐘有效“PEEClock = 1”經(jīng)延時“nop_1()”后IO口才輸出高電平“PEEDataOut = 1”，這樣就在時鐘有效的前提下產(chǎn)生了一個上升沿，也就是停止位。

數(shù)據(jù)通信的高低電平，需要保持一定的時間，目的在于輸入方能可靠檢測到相應(yīng)的電平，這就用到了軟件上的延時，但延時并不是越長越好。如圖7所示的通信波形，將導(dǎo)致通信失敗。

主機(jī)向從機(jī)寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，從機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號ACK（從機(jī)拉低數(shù)據(jù)口），主機(jī)讀取應(yīng)答信號后，準(zhǔn)備繼續(xù)寫下一個字節(jié)數(shù)據(jù)。但在此時，從機(jī)已經(jīng)釋放了總線，并翻轉(zhuǎn)為輸入口，SDA數(shù)據(jù)被上拉電阻拉高，而時鐘信號由于主機(jī)輸出延時過長，導(dǎo)致從機(jī)接收到了一個停止位，后面主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，從機(jī)不再響應(yīng)，因此通信失敗。

4 總結(jié)

I2C協(xié)議是一種靈活的、簡單易用的、占用系統(tǒng)資源少的通信協(xié)議，因而受到廣大工程師的喜好，應(yīng)用非常廣泛。即使使用片上的硬件資源實現(xiàn)I2C通信，時序上的配合、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，都需要和相關(guān)從機(jī)密切關(guān)聯(lián)，切不可一刀切，因為各種從機(jī)對時序的要求、速率的要求均或多或少的有差別，因而不能一概而論。

使用軟件模擬I2C協(xié)議，則更需要時序上的配合，IO的翻轉(zhuǎn)、寄存器的操作、時鐘信號保持的時間等等都需要通盤考慮，多一個NOP或許將導(dǎo)致整個通信失敗。

[1]Philips.I2C Peripherals [J].Holand，2000.