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I2C通信基礎知識:硬件、數(shù)據(jù)傳輸、配置

更新時間: 2021-10-13
閱讀量:11473

I2C通信是內部集成電路的簡稱,它是飛利浦半導體開發(fā)的一種通信協(xié)議,用于在中央處理器和同一電路板上的多個IC之間僅使用兩條公共電線傳輸數(shù)據(jù)。

由于其簡單性,它被廣泛用于微控制器和傳感器陣列、顯示器、物聯(lián)網(wǎng)設備、EEPROM等之間的通信。

這是一種同步串行通信協(xié)議。這意味著數(shù)據(jù)位以參考時鐘線設置的規(guī)則時間間隔一個一個地傳輸。

一、I2C的特征

以下是I2C通信協(xié)議的一些重要特性:

(1)只需要兩條公共總線(線)即可控制I2C網(wǎng)絡上的任何設備/IC;
(2)無需像UART通信那樣事先約定數(shù)據(jù)傳輸速率。因此可以根據(jù)需要隨時調整數(shù)據(jù)傳輸速度;
(3)用于驗證傳輸數(shù)據(jù)的簡單機制;
(4)使用7位尋址系統(tǒng)來定位I2C總線上的特定設備/IC;
(5)I2C網(wǎng)絡易于擴展,新設備可以簡單地連接到兩條公共I2C總線上。

二、I2C的硬件

1、物理I2C總線

I2C總線(接口線)僅由兩條線組成,稱為串行時鐘線(SCL)和串行數(shù)據(jù)線(SDA)。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過SDA線發(fā)送,并與來自SCL的時鐘信號同步。I2C網(wǎng)絡上的所有設備/IC都連接到相同的SCL和SDA線,如下所示:

20211013173237.jpg

兩條I2C總線(SDA、SCL)都用作開漏驅動器。這意味著I2C網(wǎng)絡上的任何設備/IC都可以將SDA和SCL驅動為低電平,但不能將它們驅動為高電平。因此,每條總線都使用一個上拉電阻,默認情況下將它們保持在高電平(正電壓)。

使用開漏系統(tǒng)的原因是沒有短路的可能性,當一個設備試圖將線路拉高而其他設備試圖將線路拉低時,可能會發(fā)生短路。

二、主從設備

連接到I2C總線的設備分為主設備或從設備。在任何時刻,只有一個主設備在I2C總線上保持活動狀態(tài)。它控制SCL時鐘線并決定要在SDA數(shù)據(jù)線上進行什么操作。

響應來自該主設備的指令的所有設備都是從設備。為了區(qū)分連接到同一I2C總線的多個從設備,每個從設備在物理上都分配了一個永久的7位地址。

當主設備想要向從設備傳輸數(shù)據(jù)或從從設備傳輸數(shù)據(jù)時,它會在SDA線上指定這個特定的從設備地址,然后繼續(xù)傳輸。因此,有效的通信發(fā)生在主設備和特定從設備之間。

所有其他從設備都不會響應,除非它們的地址由SDA線上的主設備指定。

20211013173306.jpg

三、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

主設備和從設備遵循以下協(xié)議(規(guī)則集)以在它們之間傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通過單個SDA數(shù)據(jù)線在主設備和從設備之間傳輸,通過0和1(位)的模式序列。每個0和1序列稱為一個事務,每個事務中的數(shù)據(jù)結構如下:

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1、開始條件

每當主設備/IC決定開始一個事務時,它會在SCL線從高電平切換到低電平之前將SDA線從高電壓電平切換到低電壓電平。

一旦主設備發(fā)送啟動條件,所有從設備即使處于睡眠模式也會激活,并等待地址位。

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2、地址塊

它由7位組成,并填充主設備需要發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的從設備地址。I2C總線上的所有從設備將這些地址位與其地址進行比較。

3、讀/寫位

該位指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。如果主設備/IC需要向從設備發(fā)送數(shù)據(jù),則該位設置為“0”。如果主IC需要從從設備接收數(shù)據(jù),則將其設置為“1”。

4、ACK/NACK位

它代表已確認/未確認位。如果任何從設備的物理地址與主設備廣播的地址一致,則該位的值由從設備設置為“0”。否則它保持邏輯“1”(默認)。

5、數(shù)據(jù)塊

它由8位組成,它們由發(fā)送方設置,需要傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)位。該塊后跟一個ACK??/NACK位,如果接收器成功接收到數(shù)據(jù),則接收器將其設置為“0”。否則它保持邏輯'1'。

這種數(shù)據(jù)塊后跟ACK/NACK位的組合被重復,直到數(shù)據(jù)完全傳輸。

6、停止條件

在通過SDA線傳輸所需的數(shù)據(jù)塊后,主設備先將SDA線從低電平切換到高電平,然后再將SCL線從高電平切換到低電平。

20211013173435.jpg

注意:邏輯“0”或設置一個位為“0”相當于在SDA線上施加低電壓,反之亦然。

四、I2C通信實際如何工作?

I2C通信/事務由主設備發(fā)起,以向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)或從其接收數(shù)據(jù)。讓我們詳細了解這兩種場景的工作原理。

1、向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)

當主設備嘗試通過I2C總線向特定從設備發(fā)送數(shù)據(jù)時,會發(fā)生以下操作序列:

(1)主設備發(fā)送啟動條件;
(2)主設備發(fā)送與目標從設備對應的7個地址位;
(3)主設備將讀/寫位設置為“0”,表示寫;
(4)現(xiàn)在有兩種可能:如果沒有從設備與主設備發(fā)送的地址匹配,則下一個ACK??/NACK位保持為“1”(默認)。這向主設備發(fā)出信號,表明從設備識別不成功。主時鐘將通過發(fā)送停止條件或新的啟動條件來結束當前事務。如果存在與主設備指定地址相同的從設備,則從設備會將ACK/NACK位設置為“0”,這會向主設備發(fā)出信號,表明從設備已成功定位。
(5)如果從設備成功定位,則主設備現(xiàn)在發(fā)送8位數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)僅由目標從設備考慮和接收。該數(shù)據(jù)對剩余的從設備沒有任何意義。
(6)如果數(shù)據(jù)被從設備成功接收,它會將ACK/NACK位設置為“0”,這表示主設備繼續(xù)。
(7)重復前兩步,直到數(shù)據(jù)全部傳輸完畢。
(8)在所有數(shù)據(jù)發(fā)送到從設備后,主設備發(fā)送停止條件,通知所有從設備當前事務已結束。

下圖表示在SDA線上發(fā)送的總體數(shù)據(jù)位以及控制每個位的設備:

20211013173510.jpg

2、從從設備讀取數(shù)據(jù)

除了以下內容外,操作順序與之前的場景相同:

(1)主設備將讀/寫位設置為“1”而不是“0”,這向目標從設備發(fā)出信號,表明主設備正在等待來自它的數(shù)據(jù);
(2)數(shù)據(jù)塊對應的8位由從設備發(fā)送,ACK/NACK位由主設備設置;
(3)一旦主設備接收到所需的數(shù)據(jù),它就會發(fā)送一個NACK位。然后從設備停止發(fā)送數(shù)據(jù)并釋放SDA線。

如果主設備從從設備的特定內部位置讀取數(shù)據(jù),它首先使用前面場景中的步驟將位置數(shù)據(jù)發(fā)送到從設備。然后它以重復的開始條件開始讀取數(shù)據(jù)的過程。

下圖表示在SDA線上發(fā)送的總體數(shù)據(jù)位以及控制每個位的設備:

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3、時鐘拉伸的概念

假設主設備啟動了一個事務并發(fā)送特定從設備的地址位,然后是“1”的讀取位。特定的從設備需要發(fā)送一個ACK??位,緊接著是數(shù)據(jù)。

但是如果從設備需要一些時間來獲取和發(fā)送數(shù)據(jù)到主設備,在這個間隙期間,主設備會認為從設備正在發(fā)送一些數(shù)據(jù)。

為了防止這種情況,從設備將SCL時鐘線保持為低電平,直到它準備好傳輸數(shù)據(jù)位。通過這樣做,從設備向主設備發(fā)送信號以等待數(shù)據(jù)位,直到時鐘線被釋放。

以上就是英銳恩單片機開發(fā)工程師分享的“I2C通信基礎知識:硬件、數(shù)據(jù)傳輸、配置”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發(fā),提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。

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