基于主控模式下的I2C通信從動模式軟件設(shè)計

　　摘 要：以I2C通信主控方的要求為基礎(chǔ)，討論I2C通信從動方的程序編寫。內(nèi)容包括I2C通信的起始部分(握手部分)、數(shù)據(jù)傳送部分以及停止部分的程序編寫，以三部分通信波形要求為準(zhǔn)，總結(jié)軟件編寫流程。I2C通信的數(shù)據(jù)格式靈活多樣，可以一次傳送8位二進制數(shù)據(jù)，也可以一次傳送8的倍數(shù)的二進制數(shù)據(jù)，從機在通信中必須按照主機的要求進行數(shù)據(jù)傳送。總結(jié)從機的數(shù)據(jù)傳送程序流程，以期滿足主機的通信要求，從而得出I2C通信從動模式的詳細總結(jié)。

　　關(guān)鍵詞：I2C通信;主控模式;從動模式;起始信號;停止信號;數(shù)據(jù)格式;數(shù)據(jù)傳送

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　　0 引 言

　　在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中存在著大量的IC間通信，目前使用較多的為I2C通信。當(dāng)前大部分單片機均可采用硬件方式的I2C模式進行通信，但也有少部分單片機為降低成本，并未設(shè)計硬件方式的I2C通信，因此只能采用軟件方式來實現(xiàn)芯片間通信。目前已有大量文獻討論了I2C通信時主控方的軟件編寫，但作為通信的另一方，從控方的程序編寫很少有相關(guān)資料涉及，特別是從控方的程序相較于主控方的程序更為復(fù)雜。因此從主機通信要求出發(fā)，總結(jié)了一套從機的通信軟件編寫流程[1-3]。

　　通過主機發(fā)出的信號請求，要求從控機采取相應(yīng)應(yīng)答信號。為了實現(xiàn)從機的實時性，要求從機的SCL線輸入采用外部中斷方式進行，可將中斷方式設(shè)置為上升沿觸發(fā)方式。

　　1 起始信號

　　圖1所示為主控機發(fā)送I2C起始信號的波形圖。I2C總線通過上拉電阻連接電源的正極，當(dāng)總線空閑時，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均為線“與”關(guān)系。進行I2C通信時，首先要確認總線是否空閑。圖1中，主機先將數(shù)據(jù)線拉高，再將時鐘線拉高，但需注意在拉高時鐘線時從機的響應(yīng)，其中時間t1為從機響應(yīng)時間。從機應(yīng)立即釋放時鐘線，轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)。主機只有檢測到從機釋放時鐘線控制權(quán)時才能進行下一步操作。主機在拉高時鐘線后，檢測時鐘線的狀態(tài)，只有從機為輸入，時鐘線變高后，主機才可以發(fā)出起始命令[4]。

　　時鐘信號線為高電平時，主機將數(shù)據(jù)線拉低以發(fā)送起始命令，此時從機檢測到數(shù)據(jù)信號線產(chǎn)生由高到低的信號變化后，從機立即檢測時鐘信號線是否產(chǎn)生由高到低的變化，如若產(chǎn)生，則說明通信起始信號已發(fā)出，主機準(zhǔn)備與從機通信[5]。從機控制流程如圖2所示。

　　2 停止信號

　　停止信號的產(chǎn)生比起始信號簡單，從機對停止信號的要求也比起始信號簡單。

　　圖3所示為主機停止信號波形圖，對應(yīng)從機在主機時鐘信號進入中斷服務(wù)程序后，通過檢測主機在數(shù)據(jù)線上發(fā)出的由低到高的電平變化來確認通信結(jié)束。

　　3 應(yīng)答信號

　　主機發(fā)送1 B數(shù)據(jù)后，在第九個時鐘(CLOCK)脈沖時必須釋放數(shù)據(jù)線，由從機產(chǎn)生一個應(yīng)答信號。從機回復(fù)低電平為有效應(yīng)答(ACK)，表示從機已成功接收到該字節(jié);從機回復(fù)高電平為非應(yīng)答信號(NACK)，表示從機未成功接收該字節(jié)。如果是有效的應(yīng)答信號位，要求從機在第九個時鐘脈沖之前的低電平時間將數(shù)據(jù)線拉低，并確保在第九個時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。如果主機從從機讀取信息，則在讀完1 B數(shù)據(jù)后，主機向從機發(fā)送一個應(yīng)答信號ACK，讀完最后一個數(shù)據(jù)后，主機向從機發(fā)送一個NACK信號，通知從機結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并在最后發(fā)送一個停止信號給從機。應(yīng)答信號波形如圖4所示。在每8位數(shù)據(jù)傳送完成后，第九個時鐘脈沖傳送一個應(yīng)答信號。向從機中寫信息即由從機發(fā)出應(yīng)答信號;從從機中讀信息，即由主機發(fā)出應(yīng)答信號。應(yīng)答信號為低即為成功，為高則為失敗。

　　從機必須配合主機工作，從機在第九個時鐘脈沖上升沿產(chǎn)生中斷時，將根據(jù)自己的接收情況產(chǎn)生應(yīng)答信號。從機工作程序流程如圖5所示。

　　4 數(shù)據(jù)傳送

　　4.1 字節(jié)傳送與應(yīng)答格式

　　數(shù)據(jù)傳送時先高位后低位，9位為一幀。如果從機未應(yīng)答主機信號，如從機正在進行其他工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)，則此時從機在應(yīng)答時必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，產(chǎn)生一個非應(yīng)答信號，主機產(chǎn)生一個終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。每傳送完一個8位數(shù)據(jù)，主機都要與從機通過應(yīng)答與非應(yīng)答信號進行溝通以確定是否繼續(xù)進行數(shù)據(jù)傳送。

　　在主機從從機中讀取數(shù)據(jù)時，主機收到最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機發(fā)出一個非應(yīng)答信號(此時的應(yīng)答信號由主機發(fā)出)作為線束標(biāo)志。從機釋放SDA線，允許主機產(chǎn)生終止信號。

　　4.2 數(shù)據(jù)幀格式

　　從機地址為7位，分別占據(jù)一個字節(jié)的D7～D1位。D0位為讀寫標(biāo)志位，D0=0為寫入從機操作;D0=1，為從從機讀取數(shù)據(jù)操作。從機地址格式與讀寫格式如圖6所示。

　　(1)主機向從機寫數(shù)據(jù)，以8位數(shù)據(jù)加一位應(yīng)答為一幀，從機負責(zé)應(yīng)答。主機先寫入從機地址，再寫入從機存儲器地址，后面為要寫入的數(shù)據(jù)，以一個字節(jié)加一個應(yīng)答位(非應(yīng)答位)為一幀寫入。如果只寫一個字節(jié)，寫完后主機可發(fā)停止信號，如果繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)，則主機繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)即可，不必再次輸入存儲器地址，從機會在上一地址上自動加1進行數(shù)據(jù)存儲。此時要特別注意的是：從機一定要有應(yīng)答信號(ACK)，否則主機將終止數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。從機無論是產(chǎn)生非應(yīng)答信號還是在規(guī)定時間內(nèi)未產(chǎn)生應(yīng)答信號，主機都視為無應(yīng)答，將終止數(shù)據(jù)傳送。寫數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

　　從機接收數(shù)據(jù)時程序較簡單，只要在CLOCK時鐘線上升沿產(chǎn)生的中斷中依次接收數(shù)據(jù)，并在接收完8位數(shù)據(jù)后產(chǎn)生應(yīng)答信號即可。然后對數(shù)據(jù)進行判斷，如果為從機地址數(shù)據(jù)，則判斷此數(shù)據(jù)是否與己方地址相同，相同則繼續(xù)接收，不同則放棄接收。然后接收存儲器地址，并接收數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)時將所接收的數(shù)據(jù)依次存儲。從機程序流程如圖8所示。

　　(2)主機從從機讀數(shù)據(jù)

　　讀取數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)時的格式存在一定區(qū)別，從機地址信息需寫2次，且需發(fā)2次起始信息。數(shù)據(jù)框圖如圖9所示。

　　由于接收數(shù)據(jù)時從機程序比較簡單，在此不再討論。

　　5 結(jié) 語

　　I2C通信是單片機與單片機之間，或單片機與存儲器之間的通信，對于經(jīng)濟型單片機而言，能有效節(jié)省單片機的I/O口，因此I2C通信也在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文是長期編程過程中的經(jīng)驗總結(jié)，希望能給讀者提供一定參考。

　　參 考 文 獻

　　[1]賴麒文. 8051單片機C語言徹底應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2002：289-311.

　　[2]張毅剛.單片機原理及接口技術(shù)(C51編程)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

　　[3]鄒益民.單片機C語言教程[M].北京：中國石化出版社，2010.

　　[4]孫余凱，吳鳴山.I2C總線數(shù)控彩色電視機維修技能與數(shù)據(jù)大全[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

　　[5]張軍才，茹偉，趙臘才，等. I2C總線測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016(12)：118-120.

　　[6]桑任仲，蔡艷波，徐萌，等. I2C總線在強干擾環(huán)境下的應(yīng)用[C]// 2018中國汽車工程學(xué)會年會，2018-11.

　　[7]李蔭瓏，丘珊珊. I2C總線設(shè)計技術(shù)及其死鎖的探討[J].家電科技，2018(7)：65-67.

　　[8]黃淑蓉.通過I2C總線接口的MCU固件升級方法[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018(7)：20-24.

　　[9]陳春行，林春生，翟國君.基于MSP430的模擬I2C串口通信的實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程，2018(5)：1029-1032.

　　[10]林倩. I2C協(xié)議解析及實測波形[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016(11)：57-58.