標(biāo)題: MCU軟件模擬實(shí)現(xiàn)iic協(xié)議程序（51單片機(jī)為例） [打印本頁]
作者: 好技術(shù)致用 時(shí)間: 2020-11-24 22:38
標(biāo)題: MCU軟件模擬實(shí)現(xiàn)iic協(xié)議程序（51單片機(jī)為例）
I2C串行總線概述
1、I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。
I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。
2、I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。
3、每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂， I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機(jī)控制總線。
在80C51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的串行總線擴(kuò)展中，我們經(jīng)常遇到的是以80C51單片機(jī)為主機(jī)，其它接口器件為從機(jī)的單主機(jī)情況。
二、I2C總線的數(shù)據(jù)傳送
1、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定
I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。
2、起始和終止信號
（1）SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。
（2）起始和終止信號都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。
（3）連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。
（4）接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。
三、數(shù)據(jù)傳送格式
1、字節(jié)傳送與應(yīng)答
每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。
（1）由于某種原因從機(jī)不對主機(jī)尋址信號應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。
（2）如果從機(jī)對主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對無法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。
（3）當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號。這個(gè)信號是由對從機(jī)的“非應(yīng)答”來實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號。
2、數(shù)據(jù)幀格式
I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。
在起始信號后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號結(jié)束。但是，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機(jī)進(jìn)行尋址。
在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：
（1）主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過程中不變：
注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。
A表示應(yīng)答， A非表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。
（2）主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即從從機(jī)讀數(shù)據(jù)
（3）在傳送過程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。
四、總線的尋址
I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采用7位的尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個(gè)字節(jié)）。
1、尋址字節(jié)的位定義
D7～D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。
2、主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確定為發(fā)送器或接收器。
3、從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有 4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。
五、 80C51單片機(jī)I2C串行總線器件的接口
主機(jī)可以采用不帶I2C總線接口的單片機(jī)，如80C51、AT89C2051等單片機(jī)，利用軟件實(shí)現(xiàn)I2C總線的數(shù)據(jù)傳送，即軟件與硬件結(jié)合的信號模擬。
1、典型信號模擬
為了保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線的數(shù)據(jù)傳送有嚴(yán)格的時(shí)序要求。I2C總線的起始信號、終止信號、發(fā)送“0”及發(fā)送“1”的模擬時(shí)序 ：
2、典型信號模擬子程序
//（1）起始信號
void I2CStart(void)
{
SDA = 1;
SomeNop( ); // 大于4.7us
SCL = 1; // 若scl高電平期間，sda由高->低，則產(chǎn)生一個(gè)起始信號
SomeNop( );
SDA = 0; // sda：1->0
SomeNop( ); // 大于4us
}
//（2）終止信號
void I2cStop(void)
{
SDA = 0;
SomeNop( ); // 大于4us
SCL = 1; // 若scl高電平期間，sda由低->高，則產(chǎn)生一個(gè)終止信號
SomeNop( );
SDA = 1; // sda：0->1
SomeNop( ); // 大于4.7us
}
//（3）應(yīng)答信號
void ack()
{
uchar i;
scl=1; // 第9個(gè)時(shí)鐘周期開始為高電平
delay();
while((sda==1)&&(i<250))i++; // 第9個(gè)時(shí)鐘周期clk為高電平期間，若sda被從機(jī)拉低則產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號，若超時(shí)，則為非應(yīng)答信號
scl=0; // 第9個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束為低電平
delay();
}
//（4）寫一字節(jié)的數(shù)據(jù)
/*
void write_byte(uchar dat)
{
uchar i,temp;
temp=dat;
for(i=0;i<8;i++)
{
temp=temp<<1;
scl=0; // scl為低電平時(shí)寫1bit的數(shù)據(jù)
delay();
sda=CY;
delay();
scl=1; // scl為高電平時(shí)數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定
delay();
}
scl=0;
delay();
sda=1; // 寫完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，釋放sda總線
delay();
}
*/
void delay(){ ;; }
void write_byte(uchar dat)
{
uchar i,temp;
temp=dat;
for(i=0;i<8;i++)
{
scl=0; // scl為低電平時(shí)寫1bit的數(shù)據(jù)
delay();
if (0x80&temp) // 1000 0000為真寫1，0000 0000為假寫0
{
sda = 1;
}
else
{
sda = 0;
}
delay();
scl=1; // scl為高電平時(shí)數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定
delay();
temp=temp<<1;
}
scl=0;
delay();
sda=1; // 釋放數(shù)據(jù)總線等待應(yīng)答（不釋放數(shù)據(jù)總線是檢測不到應(yīng)答的）
delay();
}
//（5）讀取一字節(jié)的數(shù)據(jù)
uchar read_byte()
{
uchar i,k;
scl=0; // scl為低時(shí)，可以把sda拉高釋放總線
delay();
sda=1;
delay();
for(i=0;i<8;i++)
{
scl=1; // scl為高時(shí)，sda才是有效數(shù)據(jù)
delay();
k=(k<<1)|sda; // 把1bit的數(shù)據(jù)放入k
scl=0; // 拉低scl，方便下一個(gè)時(shí)鐘周期更新sda數(shù)據(jù)
delay();
}
return k; // 從sda上讀取1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)
}
//（6）向某個(gè)地址（如EEPROM）寫入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)
void write_add(uchar address,uchar date)
{
start(); // 主機(jī)發(fā)出開始信號
write_byte(0xa0); // 主機(jī)寫設(shè)備地址
ack(); // 從機(jī)應(yīng)答
write_byte(address); // 主機(jī)寫要寫入數(shù)據(jù)的地址
ack(); // 從機(jī)應(yīng)答
write_byte(date); // 主機(jī)寫入數(shù)據(jù)
ack(); // 從機(jī)應(yīng)答
stop();
}
//（7）從某個(gè)地址（如EEPROM）都一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)
uchar read_add(uchar address)
{
uchar date;
start();
write_byte(0xa0); // 寫設(shè)備地址，寫模式
ack();
write_byte(address); // 寫入讀取數(shù)據(jù)的地址
ack();
start();
write_byte(0xa1); // 寫設(shè)備地址，讀模式
ack();
date=read_byte(); // 特定地址所讀出的數(shù)據(jù)
stop();
return date;
}
六、完整代碼（51為例）
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
sbit sda=P2^0;
sbit scl=P2^1;
uchar a;
void delay()
{ ;; }
void start() // 開始信號
{
sda=1;
delay();
scl=1;
delay();
sda=0;
delay();
}
void stop() // 停止
{
sda=0;
delay();
scl=1;
delay();
sda=1;
delay();
}
void respons() // 應(yīng)答
{
uchar i;
scl=1;
delay();
while((sda==1)&&(i<250))i++;
scl=0;
delay();
}
void init()
{
sda=1;
delay();
scl=1;
delay();
}
void write_byte(uchar date)
{
uchar i,temp;
temp=date;
for(i=0;i<8;i++)
{
temp=temp<<1;
scl=0;
delay();
sda=CY;
delay();
scl=1;
delay();
}
scl=0;
delay();
sda=1;
delay();
}
uchar read_byte()
{
uchar i,k;
scl=0;
delay();
sda=1;
delay();
for(i=0;i<8;i++)
{
scl=1;
delay();
k=(k<<1)|sda;
scl=0;
delay();
}
return k;
}
void delay1(uchar x)
{
uchar a,b;
for(a=x;a>0;a--)
for(b=100;b>0;b--);
}
void write_add(uchar address,uchar date)
{
start();
write_byte(0xa0);
respons();
write_byte(address);
respons();
write_byte(date);
respons();
stop();
}
uchar read_add(uchar address)
{
uchar date;
start();
write_byte(0xa0);
respons();
write_byte(address);
respons();
start();
write_byte(0xa1);
respons();
date=read_byte();
stop();
return date;
}
void main()
{
init();
write_add(23,0xaa);
delay1(100); // 加延時(shí)防止時(shí)序出錯(cuò)
P1=read_add(23);
while(1);
}
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