I2C通信協(xié)議應用及其注意事項

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或從機。主機初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產生允許傳輸?shù)臅r鐘信號，此時任何被尋址的器件都被認為是從機。

I2C總線是一個多主機的總線，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，但總線電容不能超過400pF。

2 I2C時序基礎

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，從機可以讀取SDA數(shù)據(jù)信號；當時鐘信號SCL無效（低電平）時，SDA數(shù)據(jù)信號無效，此時數(shù)據(jù)口（SDA）可以翻轉電平、改變IO口（輸入輸出翻轉等）等。見圖1。

數(shù)據(jù)通信需要有起始位（S）和結束位（P）。I2C規(guī)定：在時鐘有效時（高電平）數(shù)據(jù)口產生上升沿表示停止位（P位），產生下降沿表示開始位（S位）或重復開始（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)，從機每收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后需要反饋一個低電平應答信號ACK；若主機需要改變原來的主從關系、讀取關系，則必須由新主機產生一個開始位（S）或重復開始位（Sr）。下面以連續(xù)通信數(shù)據(jù)包為例解析一下I2C標準協(xié)議，見圖3。

通信開始，由主機置位數(shù)據(jù)口、時鐘口，在時鐘信號有效時，數(shù)據(jù)口產生一個下降沿，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位表示選中的從機地址，第8位表示操作指令。至此主機翻轉數(shù)據(jù)口（由輸出口翻轉為輸入口），準備讀取被選中的從機的應答信號ACK。從機收到8位數(shù)據(jù)后，在下一個時鐘信號有效前（從機輸出），翻轉IO口（由輸入口翻轉為輸出口）輸出一個低電平應答信號ACK，并輸出有效的時鐘信號給主機，表示一切就緒，準備好了下一字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。至此通信信道建立，以后主機可以和該選中的從機連續(xù)通信，直到主機產生一個停止位（P位）。

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

為了規(guī)范通信格式，I2C協(xié)議詳細規(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準值。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通信的應用及其注意事項

在家電領域，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口復用成為這些低成本產品的首先，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（MCU）發(fā)送第一個字節(jié)A0H，表示選擇記憶芯片，操作為寫；

（2）主機讀取從機（記憶芯片）發(fā)送的應答信號ACK；

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

（4）主機讀取從機發(fā)送的應答信號ACK；

（5）主機發(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）從機發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，等待主機的應答信號ACK；

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

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

（9）重復（6）、（7）、（8）通信，直到通信結束，主機發(fā)送停止位P；

（10）從機收到停止位P后，結束通信。

在這個通信過程中，特別要注意主機使用軟件模擬I2C協(xié)議，讀取應答信號ACK時需要翻轉IO口（由輸出口變?yōu)檩斎肟冢DIO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，否則將出現(xiàn)莫名的高電平，如圖5所示。

究其原因，是主機翻轉IO口為輸入口讀取從機應答信號后再次翻轉為輸出口準備下一字節(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，主機發(fā)送了一個莫名的高電平，經電阻分壓后，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標準協(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生上升沿則表示停止，產生下降沿表示開始（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）——讀取應答信號ACK——發(fā)送00H（告訴記憶芯片將要操作內部00H的存儲地址）——讀取應答信號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，產生了一個不應該的停止位，也就表示了前面的通信結束。將導致后面發(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，將導致后面讀取操作失敗。如圖6所示。

反應在源代碼上就是程序先使時鐘有效“PEEClock = 1”經延時“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，將導致通信失敗。

主機向從機寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，從機發(fā)送應答信號ACK（從機拉低數(shù)據(jù)口），主機讀取應答信號后，準備繼續(xù)寫下一個字節(jié)數(shù)據(jù)。但在此時，從機已經釋放了總線，并翻轉為輸入口，SDA數(shù)據(jù)被上拉電阻拉高，而時鐘信號由于主機輸出延時過長，導致從機接收到了一個停止位，后面主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，從機不再響應，因此通信失敗。

4 總結

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，都需要和相關從機密切關聯(lián)，切不可一刀切，因為各種從機對時序的要求、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、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或許將導致整個通信失敗。

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