I2C总线原理和应用实例（51单片机和AT24C02的I2C通讯）

1. I2C简介        

I2C（Inter-Integrated Circuit：内部集成电路）总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。（来源于百度百科）

总结其主要特点如下：

1. 只需要两条总线：串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
2. 每个连接到总线的设备都有一个独立地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。I2C总线支持最大从机数理论上为127个（7位寻址，112个非保留地址；10位寻址，1008个非保留地址）。
3. 两条线都是开漏输出，因此总线通过上拉电阻接到单元。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。通常在标准模式下，使用10K上拉电阻；快速模式下使用2K上拉电阻（速度与电阻成反比）。
4. 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式（仲裁：由多个主机同时尝试控制总线但只允许其中一个控制总线并 使传输不被破坏的过程）决定由哪个设备占用总线。
5. 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s，快速模式为 400kbit/s，高速模式下可达 3.4Mbit/s（大多 I2C 设备不支持高速模式），超快速模式，5Mbit/s。
6. 总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路。

 图（1）I2C通讯设备常用的连接方式

1.1 I2C数据传输协议与格式

I2C的协议定义了通信的起始、停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节

1.1.1 起始信号

SCL（串行时钟线）为高电平期间，SDA（串行数据线)由高电平向低电平的下降沿表示为起始信号。起始信号是由主机发出的，在起始信号产生后，总线处于被占用状态。如下图所示：

 图（2）I2C通讯起始信号

1.1.2 数据有效性规定

I2C总线进行数据传输时，SCL（串行时钟线）为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在SCL（串行时钟线）上的信号为低电平期间，数据线上的高低电平才允许变化，如下图所示：

图（3）I2C信号数据有效性示意图

1.1.3 应答响应

每当发送器件传输完一个字节（八位二进制）的数据后，必须紧跟一个校验位，此校验位是接收端控制SDA（串行数据线)来实现的，提醒发送端数据接收完成，可以继续进行下一字节传输。响应包括了 “ 应答（ACK：Acknowledgement）” 和 “ 非应答（NACK：Negative ACKnowledgment）”两种信号。

无论主从机，当作为数据接收端时，接收到一个字节数据或地址后，如果希望对方继续发送下一个字节数据，则需要向对方发送“应答（ACK）”信号；

反之，如果希望对方结束数据的传输，，则要向对方发送 “ 非应答（ACK）” 信号。

其中 “ 应答（ACK）” 信号为定义为发送数据端释放SDA（串行数据线)，此时由于外部上拉电阻作用上拉为高电平。数据接收端再通过拉底SDA（串行数据线)，即将SDA“置0”，发送端接收到接收端ACK应答信号后，则可继续传输数据。

  图（4）I2C通讯ACK信号

 “ 非应答（ACK）”信号定义为 ：

 图（5）I2C通讯NACK信号

1.1.4 停止信号

SCL（串行时钟线）为高电平期间，SDA（串行数据线)由低电平向高电平的变化表示停止信号。如下图所示：

 图（6）I2C通讯停止信号

1.2 I2C的数据传输与数据帧

1.2.1 I2C数据传输的基本格式

I2C数据传输必须从开始信号开始，传输数据的每个字节必须保证长度是八位，且先传送最高位，每一个传送的自己后必须跟随一个应答位，即一帧有9位。

I2C数据帧有三种基本格式：

1.2.2 发送一帧数据

  图（7）I2C通讯发送数据格式

将前面的各个数据传输格式按此数据帧组合，就可以得到I2C发送一帧数据的时序图，如假设向地址为1010101的从机写入大写字母V（对应ASCII码：10101100）时，其对应时序图如下：

  图（8）I2C通讯给指定地址从机发送一字节数据

1.2.3 接收一帧数据

图（8）I2C通讯接收数据格式

需要有所注意的是，当读写控制位置1时，相当于把I2C总线控制权交予从机，因此在收到从机发送来的数据后，应是注意发送应答给从机，从机在收到ACK信号后，继续传输下一字节。因此当传输最后一个字节时，主机发送应答或是非应答都是可行的。如假设向地址为1010101的从机读出大写字母V（对应ASCII码：10101100）时，其对应时序图如下：

 图（9）I2C通讯接收指定地址从机一字节的数据

1.2.4 复合格式

   图（10）I2C通讯复合格式

当我们使用I2C通讯时，复合格式即先发送再接收数据帧，其本质任可理解为接收数据，时序图略。

1.3 I2C的硬件电路

1.3.1 漏极开路输出OD输出（Open Drain）

漏极开路输出，即OD输出（Open Drain）其主要示意图如下：

   图（11）开漏输出示意图

由上图可知，内部电路中控制场效应关的导通与关断，当导通时，输出电路直接与地相连，则直接输出低电平。而当内部电路控制关断时，场效应管成高阻态，由外部上拉电阻输出高电平，反过来说，若没有外部上拉电阻，开漏输出则没有输出高电平能力。

  图（11）左为场效应管关断时，右为场效应管导通时

1.3.2 为什么选择漏极开漏输出？

以常见单片机的推挽输出和开漏输出作比较

  图（12）推挽输出电路示意图

可以知道，推挽输出电路无需上拉电阻就有输出高低电平的能力，当分析如下情况，有两个主机，且采用推挽输出时，一个主机输出高电平，而一个输出低电平时，直接构成短路。如下图所示：

除此之外，开漏输出还能做到 “ 线与 ” 。（关于 “ 线与 ” 内容可以查找更详细的资料）

2. AT24C02简介

2.1.1 2.1.1 AT24C02硬件特点

• 宽范围的工作电压1.8V~5.5V
• 存储器组织结构 

        - 24C02, 256 X 8 (2K bits)
        - 24C04, 512 X 8 (4K bits)
        - 24C08, 1024 X 8 (8K bits)
        - 24C16, 2048 X 8 (16K bits)
        - 24C32, 4096 X 8 (32K bits)
        - 24C64, 8192 X 8 (64K bits)

• 两线 串行接口，完全兼容I2C总线

• I2C时钟频率位1MHz（5V），400kHz(1.8V,2.5V,2.7V)
• 内部写周期（最大5ms）

2.1.2 AT24C02引脚排列与说明

 图（13）AT24C02引脚排列与说

2.1.2 AT24C02的电气特性

这里尤为注意写周期最大值

  图（14）AT24C02的交流电气特性

2.1.3 AT24C02的器件地址

  图（15）AT24CXX的器件地址

由以上可知AT24C02的器件地址高四位固定为1010，低三位可自定义。

2.2 AT24C02写操作

2.2.1 字节写

字节写即写入一个字节，其格式如下：

 图（16）字节写

2.2.2 页写

在字节写基础上，不发送停止信号，而是接收到AT24C02应答后，继续发送7个数据，且没接收到一个数据，字地址的低3位，自动加1，值得注意的是：当写入数据总数超过8个，字地址将回转到首地址，先前写的字节将会被覆盖，其格式如下：

 图（17）页写

2.3 AT24C02读操作

2.3.1 当前地址读

AT24C02内部带有地址计数器保存上一次访问时最后一个地址加1的值。只要芯片有电，该地址就一直保存。其格式如下：

 图（18）当前地址读

 2.3.2 随机地址读

随机读需要先写一个目标地址，发送完后，ATC24C02发送ACK信号，然后再重复一个开始信号，然后主机发送器件地址，再接收目标地址的数据，其格式类比于前文的复合格式。格式如下：

 图（19）随机地址读

此外还有顺序读，这里不再描述。

3. 51单片机与AT24C02的I2C通讯

3.1 准备工作

首先要知道AT24C02的器件地址，与SCL、SDA和51单片机的连接方式，我使用的51单片机连接方式如下：

  图（20）ATC24C02连线图

由上图与前文ATC24C02器件地址可知，高四位固定为1010，而低三位这里对应E0，E1，E2为000，因此该器件地址为1010000。其SCL，SDA连接再51单片机的P21，P20引脚。

3.2 代码实现与讲解

3.2.1 编写I2C.c文件

 首先定义SCL与SDA引脚，可根据实际连线修改，代码如下：

#include 

sbit I2C_SCL = P2^1; 
sbit I2C_SDA = P2^0; 

根据I2C通讯的基本格式，我们可以拆分成6个独立的函数。

I2C_Start()对应I2C_开始信号

/**
  * @brief	I2C开始
  *	@param	无   
  *	@retval	无
  * @notes  I2C为推挽输出，因此将引脚置1实际上是关断mos管，由上拉电阻拉高至高电平
  *         置0时对应，mos管导通，将输出拉底
 */
void I2C_Start(void)
{
	I2C_SDA = 1;
    I2C_SCL = 1;//在开始之前，确保SDA、SCL为高电平状态，即空闲状态

    I2C_SDA = 0;//在SCL高电平期间，SDA由高电平置0表示I2C起始信号
    I2C_SCL = 0;//将SCL拉底，方便接下来的数据传输
}

I2C_SendByte()对应I2C发送一字节数据

/**
  * @brief	I2C发送一个字节
  *	@param	Byte 要发送的字节 
  *	@retval	无
  * @notes  
 */
void I2C_SendByte(unsigned char Byte)
{
    unsigned char i = 0;
    for (i=0;i<8;i++)         //循环8次，发送8位数据
    {
        I2C_SDA = Byte&(0x80>>i); //I2C数据传输由高位开始，0x80对应1000 0000
                                  //相与之后只保留最高位，右移i位
                                  //以此方法从高到低取出每一位
        I2C_SCL = 1;
        I2C_SCL = 0;
    }
}

I2C_ReceiveByte()对应I2C接收一字节数据

/**
  * @brief	I2C接收一个字节
  *	@param	无  
  *	@retval	Byte 返回接收的字节
  * @notes  
 */
unsigned char I2C_ReceiveByte(void)
{
    unsigned char i ,Byte = 0x00;
	I2C_SDA = 1;				//将SDA控制权交于从机
    for(i=0;i<8;i++)            //循环8次，读取八位数据
    {            
        I2C_SCL = 1;
		if (I2C_SDA)            //如果SDA线上是高电平
        { 
            Byte |= (0x80>>i);  //0x80对应1000 0000，
                                // |= 将数据存入Byte中
        }
		I2C_SCL = 0;
    }
    return Byte;
}

I2C_SendAck()对应I2C发送ACK应答信号

/**
  * @brief	I2C发送应答
  *	@param	AckBit 应答位 0为应答，1为不应达
  *	@retval	无
  * @notes  
 */
void I2C_SendAck(unsigned char AckBit)
{
    I2C_SDA = AckBit; 
    I2C_SCL = 1;
    I2C_SCL = 0;
}

I2C_ReceiveAck（)对应接收应答

/**
  * @brief	I2C接收应答
  *	@param	无
  *	@retval	Ackbit 接收应答位
  * @notes  
 */
unsigned char I2C_ReceiveAck(void)
{
    unsigned char Ackbit;
    I2C_SDA = 1;        
    I2C_SCL = 1;       //先将SDA，SCL释放 
    Ackbit = I2C_SDA;  //在SCL高电平期间,SDA为0则表示接收到了从机应答
    I2C_SCL = 0;
    return Ackbit;     
}

I2C_Stop()对应I2C停止信号

/**
  * @brief	I2C停止
  *	@param	无 
  *	@retval	无
  * @notes  
 */
void I2C_Stop(void)
{
    I2C_SDA = 0;//保证SDA为0
    I2C_SCL = 1;
    I2C_SDA = 1;//SCL高电平期间，将SDA从0置1为I2C停止信号，且结束后， 
                //SDA、SCL均为高电平，表示为空闲状态
}

3.2.2 编写I2C.h文件

包含I2C.c各函数方便调用

#ifndef __I2C_H__
#define __I2C_H__
#include "REGX51.H"
void I2C_Start(void);
void I2C_Stop(void);
void I2C_SendByte(unsigned char Byte);
unsigned char I2C_GetByte(void);
void I2C_SendAck(unsigned char AckBit);
unsigned char I2C_GetAck(void);

#endif

3.2.3 编写AT24C02.c文件

首先包含I2C.h头文件与定义AT24C02器件地址

#include "I2C.h"
#define AT24C02_ADDRESS 0xa0 //0xa0对应1010 000 0，最后一位置0，为写模式

AT24C02_WriteByte()AT24C02写一字节数据

/**
  * @brief	AT24C02写一字节数据
  *	@param	WordAddress 写入字节的地址
  * @param	Data 写入的数据   
  *	@retval	无
  * @notes  
 */
void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress, unsigned char Data)
{
    I2C_Start();                   //I2C开始
    I2C_SendByte(AT2402_ADDRESS);  //找到ATAT24C02的器件地址
    I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答  
    I2C_SendByte(WordAddress);     //写入数据的地址
    I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答    
    I2C_SendByte(Data);            //写入数据
    I2C_ReceiveAck();              //接收AT24C02应答    
    I2C_Stop();                    //I2C停止
}

ATC2402_ReadByte()读取一字节

/**
  * @brief	AT24C02读取一字节数据
  *	@param	WordAddress	 读取字节的8位地址 
  *	@retval	Data 读取的字节
  * @notes  
 */
unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress)
{
    unsigned char Data;
    I2C_Start();					//I2C开始
    I2C_SendByte(AT2402_ADDRESS);	//找到ATAT24C02的器件地址
    I2C_ReceiveAck();				//接收AT24C02应答  
    I2C_SendByte(WordAddress);		//写入数据的地址
    I2C_ReceiveAck();				//接收AT24C02应答
    I2C_Start();               		//I2C开始        
    I2C_SendByte(AT2402_ADDRESS | 0x01);//7位器件地址，第八位置1，表示读模式
    I2C_ReceiveAck();				//接收AT24C02应答 	
    Data = I2C_ReceiveByte();			//读取AT24C02的数据
    I2C_SendAck(1);                 //不发送应答，发送与不发生都可以
    I2C_Stop();						//I2C停止
    return Data;
}

3.2.4 编写AT24C02.h文件

#ifndef ___AT24C02_H__
#define __AT24C02_H__
void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress, unsigned char Data);
unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress);
#endif

4. 代码验证

在main.c中编写程序，通过LCD1602验证是否能读取出存入AT24C02的数据，此部分可以自行修改，这里只作为验证。

#include 
#include "LCD1602.h"
#include "AT24C02.h"
unsigned char Data;
void main()
{
	LCD_Init();
	AT24C02_WriteByte(1,66);
	Data = AT24C02_ReadByte(1);
	LCD_ShowNum(2,1,Data,3);//在LCD第1行，第1列显示显示读出的数据，长度为3
	while(1)
	{
	}
}

实验现象： 

  图（21）实验现象

程序本应该显示的是写入的66，但是却显示错误，这里就需要回到AT24C02的电气特性了，其规定了写周期最大为5ms，而写入之后马上读取，可以理解为，数据还没有真正存进AT24C02中，所以要加入延时环节，这里延时5ms后才读取。

修改main.c程序如下：

#include 
#include "LCD1602.h"
#include "AT24C02.h"
#include "Delay.h"
unsigned char Data;
void main()
{
	LCD_Init();
	AT24C02_WriteByte(1,66);
	Delayms(5);
	Data = AT24C02_ReadByte(1);
	LCD_ShowNum(1,1,Data,3);
	while(1)
	{
	}
}

实验现象： 

   图（21）实验现象

实验成功。

本文到此结束，本文如有错误之处，希望大家不吝赐教，欢迎批评指正！