IIC串行协议及器件.ppt

第11章I2C串行协议及I2C器件应用,11.1I2C串行总线通信协议,11.2I2C串行总线典型器件,主讲内容,11.3I2C串行总线的应用,11.1I2C串行总线通信协议,I2C是Philips公司推出的在器件间实现同步串行数据传输的标准总线。以其连接简单、节省I/O口线、缩减空间等特点而得以广泛应用。如I2C的RAM、E2PROM、LCD、LED、A/D、D/A、时钟等器件。,I2C串行总线的主要特征如下：1）两条传输线：一条串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）。2）总线模式多：主发送模式、主接收模式、从发送模式、从接收模式。3）器件唯一寻址：I2C总线上器件都有唯一地址，主机可对各从机寻址。4）检测和仲裁：冲突检测和仲裁机制保证数据传输完整性和稳定性。5）传输速率高：标准模式、快速模式和高速模式的传输率分别是100k、400k、3.4Mbps。6）漏极开路：总线要接上拉电阻。连接到总线上的IC数量仅受到最大电容400pF的限制。,11.1.1I2C串行总线的基本特征,11.1I2C串行总线通信协议,I2C接口传输具有线“与”功能。SDA和SCL两条线，均为双向I/O口，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线都是高电平，连接总线器件的输出极必须是集电极或漏极开路。,I2CSDA上的数据仅在SCL为低电平时才能改变。当SCL为高电平时，SDA的改变表示“开始”和“停止”状态。在时钟高电平期间，数据线上必须保持稳定的逻辑电平。只有在时钟线低电平时，才允许数据线的电平变化。,I2C总线是一个半双工、多主器件的总线。总线上发送数据的发送器（也叫主器件）与接收数据的接收器（也叫从器件）取决于当时数据传送的方向。当一个器件发送数据时，其它被寻址器件均作为接收器。,11.1.2.I2C传输接口的特性,11.1I2C串行总线通信协议,完整的时序过程由起始信号、器件地址信号、应答信号ACK、字节数据信号和停止信号等几部分组成。,11.1.3I2C的时序,11.1I2C串行总线通信协议,（1）起停信号定义I2C协议中，起始信号（S）和停止信号（P）都由主器件产生。起始信号定义：当SCL线为高电平时，SDA由高到低的负跳变；在总线上出现了起始信号，就认为总线处于工作状态。停止信号定义：当SCL线为高电平时，SDA由低到高的正跳变；总线上出现停止信号，被认为总线是处在不忙或空闲状态。,1起始和停止信号,11.1I2C串行总线通信协议,（2）起停信号的检测连接到总线上的设备具有I2C硬件接口，检测起、停信号由硬件自动完成。连接到总线上的设备没有I2C硬件接口，检测起、停信号必须由软件检测跳变。,START_IC：CLRSCL；SCL由高变低，因为SCL低电平时才允许SDA更改NOP；加入空指令延时以确保信号可靠NOPSETBSDA;SDA先高NOPNOPSETBSCL;SCL高，起始条件建立时间大于4.7usACALLDS4.7uSCLRSDA；SDA低，起始条件锁定时大于4usACALLDS4uSCLRSCL；SCL低,钳住总线，准备发数据NOPRET,图11-3启动信号时序,11.1I2C串行总线通信协议,（2）起停信号的检测,STOP_IC：CLRSCL;SCL低NOPCLRSDANOPNOPSETBSCL;发送结束条件的时钟信号ACALLDS4.7uS;结束总线时间大于4us（取4.7us）SETBSDA;结束总线ACALLDS4.7uS;保证终止和起始空闲大于4.7usNOPRET,图11-4停止信号时序,11.1I2C串行总线通信协议,2器件地址,如24C02的地址格式如下,11.1I2C串行总线通信协议,表7-3常用外围器件的节点地址,11.1I2C串行总线通信协议,3应答与非应答信号（1）应答信号与非应答信号定义,图11-5应答与非应答信号,接收器收到地址字节或一个字节数据后都要产生一个应答信号ACK。在第9个时钟周期时将SDA线拉低，表示收到一个8位数据。发送器必须在这一时钟位上释放数据线SDA，使其处于高电平状态，以便接收器输出ACK应答信号，表示继续接收；若接收器输出高电平则为非应答信号（/ACK），表示结束接收。发送器接收数据时，它收到最后一个数据后，须向接收器发送一个非应答信号，使接收器释放SDA线，发送器产生终止信号，停止数据传送。,11.1I2C串行总线通信协议,3应答与非应答信号（2）应答信号时序ACK,在接收方，每收到一字节后便将SDA电平拉低,应答完成后，SCL=0，SDA=1。具体时序如下：,MACK_IC：CLRSCLNOPCLRSDA;在第9个SLC脉冲，将SDA置0NOPNOPSEIBSCL;保持数据时间，即SCL为高时间大于ACALLDS4.7usCLRSCLNOPNOPSETBSDA;在SDA高或低的任何前提下，应答完成后，SCL=0，SDA=1NOPRET,图11-6应答信号ACK时序,11.1I2C串行总线通信协议,3应答与非应答信号（3）非应答信号时序/ACK,MNACK_IC:CLRSCLNOPNOPSETBSDA;将SDA置1NOPNOPSETBSCLACALLDS4.7uSNOP;保持数据时间，即SCL为高时间大于4.7usCLRSCLNOPSETBSDANOPRET,图11-7非应答信号时序,11.1I2C串行总线通信协议,4数据字节信号字节数位：数据字节数没有限制，但是每字节必须是8位长度；发送次序：先发送最高位，每字节数据后必跟一位应答脉冲ACK；等待状态：接收器不能接收下一个字节时，可以把SCL线拉成低电平，迫使发送器处于等待状态。,图为多字节数据传输过程的完整时序。,图11-8数据传输时序,连续写的两个字节之间最好是有10ms的延时。当然，也可以进行页写（PAGEWRITE），即一次性连续写8个字节，但采用页写方式时每个字节后要有一个应答信号。,11.1I2C串行总线通信协议,（1）向IC卡写一字节数据（WR_BYTE）,WR_BYTE：MOVR2，#08;一字节8位数据CLRSCLNOPNOPWR_BYTE1：RLCA;A.8-CMOVSDA，C;改变SDA上的数据NOPSETBSCL；拉高SCL=4.7uSACALLDS4.7uSCLRSCLNOPNOPDJNZR2，WR_BYTE1；依次发8位,图11-9字节写时序图,SETBSDANOPNOPSETBSCLCLRF0NOPNOPMOVC,SDA;回读IC卡的确认信号JCWR_BYTE2SETBF0;有应答位WR_BYTE2:NOP;非应答CLRSCLNOPRET,11.1I2C串行总线通信协议,（2）从IC卡读取一字节数据（RD_BYTE）,RD_BYTE：MOVR2，#08SETBSDA;设备SDA为读状态CLRA;清空A寄存器NOPNOPRD_BTYE1：SETBSCL;时钟线为高，接收数据位NOPNOPMOVC,SDA;读取一位数据到进位位,图11-10字节读时序图,RLCA;左移数据到ACC.0CLRSCL;将SCL拉低时间大于4.7usACALLDS4.7uSDJNZR2，RD_BYTE1；依次读出8位数据到A中RET；读数据是无应答信号的需要注意的是：读数据的器件不是通过确认状态来应答的，而是随后产生一个停止状态。,11.2两线串行总线典型器件,1.AT24系列存贮器I2C串行接口的EEPROM,目前用于IC卡的通用存贮器芯片多为EEPROM，其常用的协议主要有两线串行连接协议（I2C）和三线串行链接协议，其中比较常用的是ATMEL公司生产的AT24系列芯片。,AT24系列主要有AT24C01/02/04，非加密卡工艺：采用CMOS工艺制造，内置有高压泵，2V5V的低电压工作。封装:8脚DIP封装；IC卡封装。IC卡封装对触点数目,位置,信号名称和功能都有明确规定,以保证兼容性.其中:C1(VCC)为电源;C2(RST)复位信号;C3(CLK)时钟脉冲;C4(RFU)待用;C5(GND)接地端;C6(VPP)编程电压,用于对EPROM编程;C7(I/O)数据输入输出端;C8(RFU)待用.有些系统中IC卡的C4和C8未用,可见卡上仅有六个触点.引脚：SCL串行时钟；SDA串行数据，开漏极驱动；(DIP封装)A2、A1、A0：器件/页面寻址，器件地址：1010A2、A1、A0,11.2两线串行总线典型器件,1.AT24系列存贮器I2C串行接口的EEPROM,11.2两线串行总线典型器件,1.AT24系列存贮器I2C串行接口的EEPROM,11.2两线串行总线典型器件,2.SLE44422线连接协议（ISO7816）加密卡（磁生电供电）,还有射频卡：13.56M非接触IC卡符合ISO14443TYPEA+ISO7816标准,ISO7816协议与IIC协议不相同！,SLE4442德国西门子SIMENS公司逻辑加密存储卡。具有2K位的存储容量和完全独立的可编程代码存储器PSC。单+5V电压供电，目前国内应用较多的一种IC卡芯片。2线连接协议（串行接口满足ISO7816同步传送协议每字节擦除/写入编程时间为2.5ms。至少10000次的擦写，数据保持10年。芯片引脚SLE4442的触点安排见下图,11.2两线串行总线典型器件,3.PCF8563I2C串行接口的实时日历时钟,PCF8563-I2C时钟芯片见教材；HYM1302-高性能、低功耗带RAM实时时钟芯片,HYM1302(DS1302)可慢速充电实时时钟，含实时时钟/日历和31字节非易失静态RAM。实时时钟/日历可对秒，分，时，日，周，月，和年进行计数，对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还具有闰年校正的功能。时钟可以采用24小时格式或带AM（上午）/PM（下午）的12小时格式。31字节的RAM可以用来临时保存一些重要数据。通信仅需3根线：（1）RST（复位），（2）I/O（数据线）和（3）SCLK（串行时钟）。宽工作电源电压范围：2.0V5.5V；2.5V时耗电小于300nA；3线接口，TTL兼容封装形式：DIP8和SOP8；可完全兼容DALLAS的DS1302。,11.3I2C在单片机系统中的应用,新近推出的增强型高性能单片机大都片内自带标准I2C总线接口。MCS-51系列单片机片内无I2C总线接口，则可以使用I/O口软件模拟I2C总线。,1.MCS-51与I2C器件的连接使用单片机I/O口模拟I2C总线时，只需两条I/O口线即可，在软件中分别定义成SCL和SDA。模拟I2C接口时，要软件模拟I2C串行总线的通信时序。,图7-21I/O口模拟I2C总线,2.I2C总线的典型应用24xx系列的E2PROM存储器是应用比较广泛的I2C总线器件之一。24C04内部组织为5128位，16字节页写。,【例7-4】24C04与8051的接口电路如图，8051通过I2C总线接口对24C04进行多字节写操作的程序流程图如图。试编写多字节写程序。,图7-2324C04多字节写操作流程图,流程图,11.3I2C在单片机系统中的应用,11.3I2C在单片机系统中的应用,24C04写入多字节子程序：SCLBITP3.2；定义时钟线SDABITP3.3；定义数据线START:LCALLSTAR；调起始信号MOVR2，#08H；8字节（括地址）MOVDPTR，#TAB；定义数据指针LOOP:MOVA，#00HMOVCA，A+DPTRLCALLSEND；发送字节数据LCALLACKC；接收应答信号JCLOOP；JC什么意思？INCDPTRDJNZR2，LOOP,LCALLSTOP；调停止信号RETTAB：DB0A0H,10H,01H,02H,03H,04H,05H,06HSTAR：CLRSCL；起始信号SETBSDAACALLDELAYSETBSCLACALLDELAYCLRSDAACALLDELAYCLRSCLRETSTOP：CLRSCL；停止信号CLRSDA,11.3I2C在单片机系统中的应用,ACALLDELAYSETBSCLACALLDELAYSETBSDAACALLDELAYRET;发送一个字节子程序SEND:MOVR0，#08H；每个字节八位CLRCSEND0:RLCAMOVSDA，C；送的进位位SETBSCLACALLDELAYCLRSCLDJNZR0，SEND0；判断8位数据是否传送完SETBSDARET,