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。

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