串行总线扩展-单片机原理与接口技术：设计与实训

I²C总线（Inter IC BUS），是Philips公司推出的使用广泛、很有发展前途的芯片间串行数据传输总线，采用两线制实现全双工同步数据传送。I²C总线只有两条信号线，一条是数据线SDA（Serial Data Line），另一条是时钟线SCL（Serial Clock Line）。两条线均双向传送，所有连到I²C上器件的数据线都接到SDA线上，各器件时钟线均接到SCL线上。I²C系统基本结构如图6-39所示。I²C总线单片机直接与I²C接口的各种扩展器件（如存储器、I/O芯片、A-D、D-A、键盘、显示器、日历/时钟）连接。I²C总线已成为广泛应用的工业标准之一。

图6-39 I²C串行总线系统的基本结构

I²C总线是一个多主机总线，总线上可以有一个或多个主机（或称主控制器件），总线运行由主机控制。主机是指启动数据的传送（发起始信号）、发出时钟信号、发出终止信号的器件。通常，主机由单片机或其他微处理器担任。被主机访问的器件叫作从机（或称从器件），它可以是其他单片机，或者其他外围芯片，如A-D、D-A、LED或LCD驱动、串行存储器芯片。

I²C总线支持多主和主从两种工作方式。多主方式下，I²C总线上可以有多个主机，I²C总线需通过硬件和软件仲裁来确定主机对总线的控制权。主从工作方式时，系统中只有一个主机，总线上的其他器件均为从机（具有I²C总线接口），只有主机能对从机进行读写访问，因此，不存在总线的竞争等问题。在主从方式下，I²C总线的时序可以模拟，I²C总线的使用不受主机是否具有I²C总线接口的制约。

MCS-51系列单片机本身不具有I²C总线接口，可以用其I/O口线模拟I²C总线。常见I²C器件的标识码见表6-15。

表6-15 常见I²C器件的标识码

1 单片机的I²C总线扩展的设计

MCS-51系列单片机没有I²C总线接口，只能采用虚拟I²C总线方式，并且只能用于主从系统。虚拟I²C总线接口利用MCS-51单片机的I/O口线作为数据线SDA和时钟线SCL，通过软件延时实现I²C总线传输数据的时序要求。

（1）I²C总线数据传送的模拟

1）起始信号S：对一个新的起始信号，要求起始前总线空闲时间大于4.7μs，而对一个重复的起始信号，要求建立时间也需大于4.7μs。如图6-40所示的起始信号的时序波形在SCL高电平期间SDA发生负跳变，该时序波形适用于数据模拟传送中任何情况下的起始操作。起始信号到第1个时钟脉冲的时间间隔应大于4.0μs。系统晶振频率为6MHz，机器周期为2μs。

图6-40 起始信号的时序波形

START：SETB SDA；SDA=1

SETB SCL；SCL=1

NOP；SDA=1保持>4.7μs

NOP

CLR SDA；SDA=0

NOP；保持4μs

NOP

CLR SCL；SCL=0

RET

2）终止信号P：在SCL高期间SDA发生正跳变，终止信号P的波形如图6-41所示。

STOP：CLR SDA；SDA=0

SETB SCL；SCL=1

NOP；终止信号建立时间＞4μs

NOP

SETB SDA；SDA=1，保持＞4.7μs

NOP

NOP

图6-41 终止信号的时序波形

CLR SCL；SCL=0

CLR SDA；SDA=0

RET

3）发送应答位/数据0：在SDA低电平期间SCL发生一个正脉冲，波形如图6-42所示。

图6-42 发送应答位/数据波形（f_CLK=6MHz）

ACK：CLR SDA；SDA=0

SETB SCL；SCL=1

NOP；4μs

NOP

CLR SCL；SCL=0

SETB SDA；SDA=1

RET

4）发送非应答位/数据1：在SDA高电平期间SCL发生一个正脉冲，时序波形如图6-43所示。

图6-43 发送非应答位/数据波形（f_CLK=6MHz）

NACK：SETB SDA；SDA=1(www.xing528.com)

SETB SCL；SCL=1

NOP；两条NOP指令为4μs

NOP

CLR SCL；SCL=0

CLR SDA；SDA=0

RET

（2）I²C总线模拟通用子程序

I²C总线操作中除基本的起始信号、终止信号、发送应答位/数据0和发送非应答位/数据1外，还需要有应答位检查、发送1字节、接收1字节。

1）应答位检查子程序：在应答位检查子程序CACK中，设置了标志位F0，当检查到正常应答位时，F0=0，否则F0=1。

CACK：SETB P1.2；SDA为输入线，SDA=1

SETB P1.3；SCL=1，使SDA引脚上的数据有效

CLR F0；预设F0=0

MOV C，P1.2；读入SDA线的状态

JNC CEND；应答正常，转CEND

SETB F0；当SDA=1时，应答不正常，F0=1

CEND：CLR P1.3；当SDA=0时，子程序结束，使SCL=0

RET

2）发送1字节数据子程序：模拟I² C数据线SDA发送1字节数据的子程序，调用本子程序前，先将欲发送的数据送入累加器A中，如图6-44所示。

图6-44 左移发送位送入SDA总线

W1BYTE：MOV R6，#08H；8位数据长度送入R6中

WLP：RLC A；A左移，发送位进入C

MOV P1.2，C；将发送位送入SDA总线

SETB P1.3；SCL=1，使SDA引脚上的数据有效

NOP

NOP

CLR P1.3；仅当SCL=0时，SDA线上数据变化

DJNZ R6，WLP

RET

3）接收1字节数据子程序：模拟从I² C的数据线SDA读取1字节数据的子程序，并存入R2中。

R1BYTE：MOV R6，#08H；8位数据长度送入R6中

RLP：SETB SDA；置SDA数据线为输入方式

SETB SCL；当SCL=1时，使SDA数据线上的数据有效

MOV C，SDA；读入SDA引脚状态

MOV A，R2

RLC A；将C读入A

MOV R2，A；将A存入R2

CLR SCL；当SCL=0时，SDA线上数据变化

DJNZ R6，RLP；8位接收完吗？未完，继续接收数据

RET；接收完，返回

2 数据传送格式使用注意事项

1）无论何种数据传送格式，寻址字节都由主机发出，数据字节的传送方向则遵循寻址字节中的方向位规定。

2）寻址字节只表明了从机的地址及数据传送方向。从机内部的n个数据地址，由器件设计者在该器件的I²C总线数据操作格式中，指定第一个数据字节作为器件内的单元地址指针，且设置地址自动加减功能，以减少从机地址的寻址操作。

图6-45 单主机系统I²C总线扩展示意图

3）每个字节传送都必须有应答信号相随。

4）从机在接收到起始信号后都必须释放数据总线，使其处于高电平，以便主机发送从机地址。

单主机系统I²C总线扩展示意图如图6-45所示。