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I2C总线器件应用I2C总线器件应用
I2C总线器件应用
单片机应用系统正向小型化、高可靠性、低功耗等方向发展。在一些设计功能较多的系统中,常需扩展多个外围接口器件。若采用传统的并行扩展方式,将占用较多的系统资源,且硬件电路复杂,成本高、功耗大、可靠性差。为此,Philips公司推出了一种高效、可靠、方便的串行扩展总线—I2C总线。单片机系统采用I2C总线后将大大简化电路结构,增加硬件的灵活性,缩短产品开发周期,降低成本,提高系统可靠性。
I2C总线(Inter IC BUS)是Philips推出的芯片间串行传输总线。它以两根连线实现了完善的全双工同步数据传送,可以极方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C总线采用了器件地址的硬件设置方法,通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法,从而使硬件系统具有最简单而灵活的扩展方法。
第一节 I2C总线器件应用概述
一、I2C总线器件
目前许多单片机厂商引进了Philips公司的I2C总线技术,推出了许多带有I2C总线接口的单片机。Philips公司除了生产具有I2C总线接口的单片机外,还推出了许多具备I2C总线的外部接口芯片,如24XX系列的E2PROM 、128字节的静态RAM芯片PCF8571、日历时钟芯片PCF8563、4位LED驱动芯片SAA1064、160段LCD驱动芯片PCF8576等多种类多系列接口芯片。
二、I2C总线工作原理
采用I2C总线系统结构如图7-1所示。
图7-1 I2C总线系统结构图
其中,SCL是时钟线,SDA是数据线。总线上的各器件都采用漏极开路结构与总线相连,因此,SCL、SDA均需接上拉电阻,总线在空闭状态下均保持高电平。
I2C总线支持多主和主从两种工作方式,通常为主从工作方式。在主从工作方式中,系统中只有一个主器件(单片机),总线上其它器件都是具有I2C总线的外围从器件。在主从工作方式中,主器件启动数据的发送(发出启动信号),产生时钟信号,发出停止信号。为了实现通信,每个从器件均有唯一一个器件地址,具体地址由I2C总线委员会分配。
(一)I2C总线工作方式
图7-2为I2C总线上进行一次数据传输的通信格式。
图7-2 I2C总线上进行一次数据传输的通信格式
1.发送启动(始)信号
在利用I2C总线进行一次数据传输时,首先由主机发出启动信号启动I2C总线。在SCL为高电平期间,SDA出现上升沿则为启动信号。此时具有I2C总线接口的从器件会检测到该信号。
2.发送寻址信号
主机发送启动信号后,再发出寻址信号。器件地址有7位和10位两种,这里只介绍7位地址寻址方式。寻址信号由一个字节构成,高7位为地址位,最低位为方向位,用以表明主机与从器件的数据传送方向。方向位为“0”,表明主机对从器件的写操作;方向位为“1”时,表明主机对从器件的读操作。
3.应答信号
I2C总线协议规定,每传送一个字节数据(含地址及命令字)后,都要有一个应答信号,以确定数据传送是否正确。应答信号由接收设备产生,在SCL信号为高电平期间,接收设备将SDA拉为低电平,表示数据传输正确,产生应答。
4.数据传输
主机发送寻址信号并得到从器件应答后,便可进行数据传输,每次一个字节,但每次传输都应在得到应答信号后再进行下一字节传送。
5.非应答信号
当主机为接收设备时,主机对最后一个字节不应答,以向发送设备表示数据传送结束。
6.发送停止信号
在全部数据传送完毕后,主机发送停止信号,即在SCL为高电平期间,SDA上产生一上升沿信号。
(二)I2C总线数据传输方式模拟
目前已有多家公司生产具有I2C总线的单片机,如Philips 、Motorola、韩国三星、日本三菱等公司。这类单片机在工作时,总线状态由硬件监测,无须用户介入,应用非常方便。对于不具有I2C总线接口的MCS-51单片机,在单主机应用系统中可以通过软件模拟I2C总线的工作时序,在使用时,只需正确调用该软件包就可很方便地实现扩展I2C总线接口器件。
1.I2C总线软件包组成
启动信号子程序STA
停止信号子程序STOP
发送应答位子程序MACK
发送非应答位子程序MNACK
应答位检查子程序CACK
单字节发送子程序WRBYT
单字节接收子程序RDBYT
n字节发送子程序WRNBYT
n字节接收子程序RDNBYT
第二节 E2PROM AT24C系列应用
具有I2C总线接口的E2PROM 拥用多个厂家的多种类型产品。在此仅介绍ATMEL公司生产的AT24C系列E2PROM,主要型号有AT24C01/02/04/08/16,其对应的存储容量分别为128×8/256×8/512×8/1024×8/2048×8。采用这类芯片可解决掉电数据保护问题,可对所存数据保存100年,并可多次擦写,擦写次数可达10万次。
在一些应用系统设计中,有时需要对工作数据进行掉电保护
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