用示波器对单片机I2C时序进行图形波形分析的试验小结

对于嵌入式开发的朋友来说，I2C协议实在是再熟悉不过了，有太多的器件，采用的都是通过I2C来进行相应的设置。今天，我们就随便聊聊这个I2C协议。

I2C协议中最重要的一点是I2C地址。这个地址有7位和10位两种形式。7位能够表示127个地址，而在实际使用中基本上不会挂载如此多的设置，所以很多设备的地址都采用7位，所以本文接下来的说明都是基于此。

I2C还有一个很重要的概念，就是“主—从”。对于从设备来说，它是啥都不干的，更不会自动发送数据；而主设备，则是起到控制作用，一切都是从它开始。

除了GND以外，I2C有两根线，分别是SDA和SCL，所有的设备都是接到这两根线上。那么，这些设备如何知道数据是发送给它们呢？这就得依靠前面所说到的地址了。设备I2C的地址是固定的，比如0x50，0x60等等。因为只能有127个地址，地址冲突是很常见的，所以一般设备都会有一个地址选择PIN，比如拉高时候为0x50，接地为0x60。如果无论拉高还是接地，都和别的芯片有冲突，那该怎么办呢？答案是：凉拌，没办法。遇到这种情况，只能换芯片了。

我们来看I2C协议中的数据传输时序图：

SCL是时钟，SDA承载的是数据。当SDA从1变动到0，而SCL还是1时，表示开始数据传输。接下来的7位，就是设备的地址。紧接着的是读写标志，其为1时是读取，为0则是写。如果I2C总线上存在着和请求的地址相对应的设备，则从设备会发送一个ACK信号通知主设备，可以发送数据了。接到ACK信号后，主设备则发送一个8位的数据。当传输完毕之后，SCL保持为1，SDA从0变换到1时，标明传输结束。

从这个时序图中可以看到，SCL很重要，并且哪个时钟沿是干嘛的，都是确定好的。比如，前面7个必定是地址，第8个是读写标志，数据传输必须是8位，必须接个ACK信号等等。

前面的时序图并没有标明数据传输的方向，我们现在看看写操作的数据流向：

网格的是主设备发送的，白色格子是从设备发送的。从图示中可以看到，对于写操作，从设备都只是发送ACK进行确认而已。

而读操作的数据流向，就有所不同，如图：

这时候，从设备除了发送ACK以外，紧跟着的还有数据。

我们用示波器来查看波形图，以便于理解。

将示波器的X和Y分别接到SDA和SCL，得到波形并分析如图:

I2C的概念原理网上都有就不说了，这里只把我把两个开发板通过I2C通讯的调试经验记录分享一下。

 

I2C要求要有一个主设备，负责发起请求和控制时钟；其它为从设备，通过设备ID地址来识别并响应主设备请求。主从设备要轮流控制SDA。一开始我没搞明白这一点，直接加了写I2C数据代码，然后用示波器在SDA和SCL脚测量，却只能找到些凌乱的波形，没有预期的效果。后来把从设备接上，两边写好代码，互相有了响应，这才在示波器上看到波形。

 

这里我找了一个主设备往从设备写数据的例子，代码如下：

 

char buf[128];

int len;

strcpy(buf,"..huz_hello_i2c/n");

len=strlen(buf);

 

//deviceid: 0x3c

write_i2c(0x3c, buf , len);

 

接收端的代码比较简单，就不贴了。

 

将示波器的X和Y分别接到SDA和SCL，得到波形并分析如图：

 

从图中可知时序如下：

1. 由主机发起，在SCL为高电平时，SDA由高到低切变，形成开始信号；
2. 接着是7位地址和一位读写标志，这里7位地址为0111100，即0x3c，正是我们代码中设置的地址ID；最后一位为0表示写操作；
3. 接着在下一个时钟，主机以高电平状态释放SDA，这时从机响应，将SDA拉低了；
4. 接着是两个8位数据00101110与响应，即0x2E，正是“.”号的ASCII码，符合预期输出；
5. 还有其它数据和最后的停止位，图中被截掉了。

从图中可知，纵向一格是200mV，则SDA和SCL的电平大概就是350mV；由于信号笔上设置了信号x10，因此实际电平应该大概是3.5V（理论上应该是3.3V）。横向一格是25us，10个时钟周期大概用了4格，即4x25us=100us，平均每个时钟周期是10us，可算出传输频率为1/10us=100,000/s，即100k bps。

 

另外，对于读从设备内容，基本流程是主设备先往从设备写一个命令，然后再输出读取命令，然后才由从设备发送数据。过程类似，不再具体分析了。

 

下图示例中，主机先向从机写了一个地址命令，然后重新开始并进入读取周期。

 

 

分析波形可检测出I2C通信工作是否正常，是否符合预期，对我们编程调试诊断有辅助作用。