I2C总线与EEPROM

时间:2023-03-13作者:佚名

I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,多用于连接微处理器及其外围设备。I2C总线的主要特点是接口方式简单,两条线可以挂多个参与通信的器件,即多机模式,而且任何一个器件都可以作为主机,当然同一时刻只能一个主机。

  从原理上来讲,UART属于异步通信,比如电脑发送给单片机,电脑只负责把数据通过TXD发送出来即可,接收数据是单片机自己的事情。而I2C属于同步通信,SCL时钟线负责收发双方的时钟节拍,SDA数据线负责传输数据。I2C的发送方和接收方都以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。

  从应用上来讲,UART通信多用于板间通信,比如单片机和电脑,这个设备和另外一个设备之间的通信。而I2C多用于板内通信,比如单片机和我们本章要学的EEPROM之间的通信。

  1、I2C时序初步认识

  在硬件上,I2C总线是由时钟总线SCL和数据总线SDA两条线构成,连接到总线上的所有的器件的SCL都连到一起,所有的SDA都连到一起。I2C总线是开漏引脚并联的结构,因此我们外部要添加上拉电阻。对于开漏电路外部加上拉电阻的话,那就组成了线“与”的关系。总线上线“与”的关系,那所有接入的器件保持高电平,这条线才是高电平。而任意一个器件输出一个低电平,那这条线就会保持低电平,因此可以做到任何一个器件都可以拉低电平,也就是任何一个器件都可以作为主机,如图1所示,我们添加了R63和R64两个上拉电阻。

I2C总线与EEPROM

图1 I2C总线的上拉电阻

虽然说任何一个设备都可以作为主机,但绝大多数情况下我们都是用微处理器,也就是我们的单片机来做主机,而总线上挂的多个器件,每一个都像电话机一样有自己唯一的地址,在信息传输的过程中,通过这唯一的地址可以正常识别到属于自己的信息,在我们的KST-51开发板上,就挂接了2个I2C设备,一个是24C02,一个是PCF8591。

我们在学习UART串行通信的时候,知道了我们的通信流程分为起始位、数据位、停止位这三部分,同理在I2C中也有起始信号、数据传输和停止信号,如图2所示。

I2C总线与EEPROM

图2 I2C时序流程图

  从图上可以看出来,I2C和UART时序流程有相似性,也有一定的区别。UART每个字节中,都有一个起始位,8个数据位和1位停止位。而I2C分为起始信号,数据传输部分,最后是停止信号。其中数据传输部分,可以一次通信过程传输很多个字节,字节数是不受限制的,而每个字节的数据最后也跟了一位,这一位叫做应答位,通常用ACK表示,有点类似于UART的停止位。

  下面我们一部分一部分的把I2C通信时序进行剖析。之前我们学过了UART,所以学习I2C的过程我尽量拿UART来作为对比,这样有助于更好的理解。但是有一点大家要理解清楚,就是UART通信虽然我们用了TXD和RXD两根线,但是实际一次通信,1条线就可以完成,2条线是把发送和接收分开而已,而I2C每次通信,不管是发送还是接收,必须2条线都参与工作才能完成,为了更方便的看出来每一位的传输流程,我们把图2改进成图3。

I2C总线与EEPROM

图3 I2C通信流程解析

  起始信号:UART通信是从一直持续的高电平出现一个低电平标志起始位;而I2C通信的起始信号的定义是SCL为高电平期间,SDA由高电平向低电平变化产生一个下降沿,表示起始信号,如图14-3中的start部分所示。

  数据传输:首先,UART是低位在前,高位在后;而I2C通信是高位在前,低位在后。第二,UART通信数据位是固定长度,波特率分之一,一位一位固定时间发送完毕就可以了。而I2C没有固定波特率,但是有时序的要求,要求当SCL在低电平的时候,SDA允许变化,也就是说,发送方必须先保持SCL是低电平,才可以改变数据线SDA,输出要发送的当前数据的一位;而当SCL在高电平的时候,SDA绝对不可以变化,因为这个时候,接收方要来读取当前SDA的电平信号是0还是1,因此要保证SDA的稳定不变化,如图14-3中的每一位数据的变化,都是在SCL的低电平位置。8为数据位后边跟着的是一位响应位,响应位我们后边还要具体介绍。

  停止信号:UART通信的停止位是一位固定的高电平信号;而I2C通信停止信号的定义是SCL为高电平期间,SDA由低电平向高电平变化产生一个上升沿,表示结束信号,如图14-3中的stop部分所示。

  2、I2C寻址模式

  上面介绍的是I2C每一位信号的时序流程,而I2C通信在字节级的传输中,也有固定的时序要求。I2C通信的起始信号(Start)后,首先要发送一个从机的地址,这个地址一共有7位,紧跟着的第8位是数据方向位(R/W),‘0’表示接下来要发送数据(写),‘1’表示接下来是请求数据(读)。

  我们知道,打电话的时候,当拨通电话,接听方捡起电话肯定要回一个“喂”,这就是告诉拨电话的人,这边有人了。同理,这个第九位ACK实际上起到的就是这样一个作用。当我们发送完了这7位地址和1位方向位,如果我们发送的这个地址确实存在,那么这个地址的器件应该回应一个ACK‘0’,如果不存在,就没“人”回应ACK。

  那我们写一个简单的程序,访问一下我们板子上的EEPROM的地址,另外在写一个不存在的地址,看看他们是否能回一个ACK,来了解和确认一下这个问题。

  我们板子上的EEPROM器件型号是24C02,在24C02的数据手册3.6部分说明了,24C02的7位地址中,其中高4位是固定的1010,而低3位的地址取决于我们电路的设计,由芯片上的A2、A1、A0这3个引脚的实际电平决定,来看一下我们的24C02的电路图,如图4所示。

I2C总线与EEPROM

图4 24C02原理图

  从图4可以看出来,我们的A2、A1、A0都是接的GND,也就是说都是0,因此我们的7位地址实际上是二进制的1010000,也就是0x50。我们用I2C的协议来寻址0x50,另外再寻址一个不存在的地址0x62,寻址完毕后,把返回的ACK显示到我们的1602液晶上,大家对比一下。

/***********************lcd1602.c文件程序源代码*************************/

#include

#define LCD1602_DB P0

sbit LCD1602_RS = P1^0;

sbit LCD1602_RW = P1^1;

sbit LCD1602_E = P1^5;

void LcdWaitReady() //等待液晶准备好

{

unsigned char sta;

LCD1602_DB = 0xFF;

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 1;

do

{

LCD1602_E = 1;

sta = LCD1602_DB; //读取状态字

LCD1602_E = 0;

} while (sta

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