I2C总线通信

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器件的 SCL 都连到一起，所有 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，就组成了线“与”的关系。总线上线“与”的关系就是说，所有接入的器件保持高电平，这条线才是高电平，而任何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 14-1 所示，我们添加了 R63 和 R64 两个上拉电阻。



图 14-1 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，通过这唯一的地址就可以正常识别到属于自己的信息，在
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 14-2 所示。



图 14-2 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、1 位停止位。而 I2C
分为起始信号、数据传输部分、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。之前我们已经学过了 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 通信虽然用了 TXD 和 RXD 两根线，但是实际一次通信中，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 14-2 改进成图14-3。



图 14-3 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。其次，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，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 位数据位后边跟着的是一位应答位，应答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。

上一节介绍的是
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 位方向后，如果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（拉低 SDA 即输出“0”），如果不存在，就没“人”回应 ACK（SDA将保持高电平即“1”）。

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，另外再写一个不存在的地址，看看它们是否能回一个 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 节中可查到，24C02的 7 位地址中，其中高 4 位是固定的 0b1010，而低
3 位的地址取决于具体电路的设计,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，它和24C01 的原理图完全一样，如图 14-4 所示。



图 14-4 24C02 原理图

从图 14-4 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 24C02的 7 位地址实际上是二进制的 0b1010000，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 <reg52.h>
#define LCD1602_DB P0
sbit LCD1602_RS = P1^0;
sbit LCD1602_RW = P1^1;
sbit LCD1602_E = P1^5;

/* 等待液晶准备好 */
void LcdWaitReady(){
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 & 0x80); //bit7 等于 1 表示液晶正忙，重复检测直到其等于 0 为止
}
/* 向 LCD1602 液晶写入一字节命令，cmd-待写入命令值 */
void LcdWriteCmd(unsigned char cmd){
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 0;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = cmd;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
/* 向 LCD1602 液晶写入一字节数据，dat-待写入数据值 */
void LcdWriteDat(unsigned char dat){
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 1;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = dat;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
/* 设置显示 RAM 起始地址，亦即光标位置，(x,y)-对应屏幕上的字符坐标 */
void LcdSetCursor(unsigned char x, unsigned char y){
unsigned char addr;
if (y == 0){ //由输入的屏幕坐标计算显示 RAM 的地址
addr = 0x00 + x; //第一行字符地址从 0x00 起始
}else{
addr = 0x40 + x; //第二行字符地址从 0x40 起始
}
LcdWriteCmd(addr | 0x80); //设置 RAM 地址
}
/* 在液晶上显示字符串，(x,y)-对应屏幕上的起始坐标，str-字符串指针 */
void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str){
LcdSetCursor(x, y);//设置起始地址
while (*str != '\0'){ //连续写入字符串数据，直到检测到结束符
LcdWriteDat(*str++);
}
}
/* 初始化 1602 液晶 */
void InitLcd1602(){
LcdWriteCmd(0x38); //16*2 显示，5*7 点阵，8 位数据接口
LcdWriteCmd(0x0C); //显示器开，光标关闭
LcdWriteCmd(0x06); //文字不动，地址自动+1
LcdWriteCmd(0x01); //清屏
}

/*****************************main.c 文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define I2CDelay() {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}
sbit I2C_SCL = P3^7;
sbit I2C_SDA = P3^6;
bit I2CAddressing(unsigned char addr);
extern void InitLcd1602();
extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);

void main(){
bit ack;
unsigned char str[10];
InitLcd1602(); //初始化液晶
ack = I2CAddressing(0x50); //查询地址为 0x50 的器件
str[0] = '5'; //将地址和应答值转换为字符串
str[1] = '0';
str[2] = ':';
str[3] = (unsigned char)ack + '0';
str[4] = '\0';
LcdShowStr(0, 0, str); //显示到液晶上
ack = I2CAddressing(0x62); //查询地址为 0x62 的器件
str[0] = '6'; //将地址和应答值转换为字符串
str[1] = '2';
str[2] = ':';
str[3] = (unsigned char)ack + '0';
str[4] = '\0';
LcdShowStr(8, 0, str); //显示到液晶上
while (1);
}
/* 产生总线起始信号 */
void I2CStart(){
I2C_SDA = 1; //首先确保 SDA、SCL 都是高电平
I2C_SCL = 1;
I2CDelay();
I2C_SDA = 0; //先拉低 SDA
I2CDelay();
I2C_SCL = 0; //再拉低 SCL
}
/* 产生总线停止信号 */
void I2CStop(){
I2C_SCL = 0; //首先确保 SDA、SCL 都是低电平
I2C_SDA = 0;
I2CDelay();
I2C_SCL = 1; //先拉高 SCL
I2CDelay();
I2C_SDA = 1; //再拉高 SDA
I2CDelay();
}
/* I2C 总线写操作，dat-待写入字节，返回值-从机应答位的值 */
bit I2CWrite(unsigned char dat){
bit ack; //用于暂存应答位的值
unsigned char mask; //用于探测字节内某一位值的掩码变量

for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1){ //从高位到低位依次进行
if ((mask&dat) == 0){ //该位的值输出到 SDA 上
I2C_SDA = 0;
}else{
I2C_SDA = 1;
}
I2CDelay();
}
I2C_SCL = 1; //拉高 SCL
I2CDelay();
I2C_SCL = 0; //再拉低 SCL，完成一个位周期
I2C_SDA = 1; //8 位数据发送完后，主机释放 SDA，以检测从机应答
I2CDelay();
I2C_SCL = 1; //拉高 SCL
ack = I2C_SDA; //读取此时的 SDA 值，即为从机的应答值
I2CDelay();
I2C_SCL = 0; //再拉低 SCL 完成应答位，并保持住总线
return ack; //返回从机应答值
}
/* I2C 寻址函数，即检查地址为 addr 的器件是否存在，返回值-从器件应答值 */
bit I2CAddressing(unsigned char addr){
bit ack;
I2CStart(); //产生起始位，即启动一次总线操作
//器件地址需左移一位，因寻址命令的最低位
//为读写位，用于表示之后的操作是读或写
ack = I2CWrite(addr<<1);
I2CStop(); //不需进行后续读写，而直接停止本次总线操作
return ack;
}

我们把这个程序在 KST-51 开发板上运行完毕，会在液晶上边显示出来我们预想的结果，主机发送一个存在的从机地址，从机会回复一个应答位，即应答位为 0；主机如果发送一个不存在的从机地址，就没有从机应答，即应答位为
1。

前面的章节中已经提到利用库函数_nop_()可以进行精确延时，一个_nop_()的时间就是一个机器周期，这个库函数包含在 intrins.h 这个文件中，如果要使用这个库函数，只需要在程序最开始，和包含
reg52.h 一样，include<intrins.h>之后，程序中就可以使用这个库函数了。

还有一点要提一下，I2C
通信分为低速模式 100kbit/s、快速模式 400kbit/s 和高速模式3.4Mbit/s。因为所有的 I2C
器件都支持低速，但却未必支持另外两种速度，所以作为通用的I2C
程序我们选择 100k 这个速率来实现，也就是说实际程序产生的时序必须小于等于 100k的时序参数，很明显也就是要求 SCL 的高低电平持续时间都不短于 5us，因此我们在时序函数中通过插入 I2CDelay()这个总线延时函数（它实际上就是 4 个 NOP 指令，用 define 在文件开头做了定义），加上改变 SCL 值语句本身占用的至少一个周期，来达到这个速度限制。如果以后需要提高速度，那么只需要减小这里的总线延时时间即可。

此外我们要学习一个发送数据的技巧，就是 I2C
通信时如何将一个字节的数据发送出去。大家注意函数 I2CWrite 中，用的那个 for 循环的技巧。for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1)，由于 I2C
通信是从高位开始发送数据，所以我们先从最高位开始，0x80 和 dat 进行按位与运算，从而得知 dat 第 7 位是 0 还是 1，然后右移一位，也就是变成了用 0x40 和 dat 按位与运算，得到第 6 位是 0 还是 1，一直到第 0 位结束，最终通过 if 语句，把 dat 的 8 位数据依次发送了出去。其它的逻辑大家对照前边讲到的理论知识，认真研究明白就可以了。