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嵌入式 - I2C
2024-07-09

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I2C(Inter-Integrated Circuit)通信总线,作为嵌入式系统设计中的一个关键组成部分,其灵活性和高效率使其在高级应用中备受青睐。本文旨在提供关于 I2C 通信总线的深度解析,包括其基本概念、特点、通信协议,以及在不同场景下的高级应用和最佳实践。I2C 接口只有 2 根信号线,总线上可以连接多个设备,硬件实现简单,可扩展性强。I2C 通信协议可以用普通 GPIO 引脚进行软件模拟。I2C 接口主要用于通讯速率要求不高,以及多个器件之间通信的应用场景。

1. I2C 总线历史#

I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种重要的串行通信协议,它的历史可以追溯到上世纪 80 年代初期。以下是对 I2C 总线历史的详细介绍:

  1. 起源
  • I2C 总线技术由荷兰的飞利浦半导体(现在的恩智浦半导体)在 1982 年开发。最初,这项技术是为了在电视机内部实现简单、高效、低成本的通信而设计的。
  1. 设计目标
  • 设计 I2C 的初衷是减少电视机等复杂电子系统内部的布线数量,同时也降低制造成本。通过使用只有两根线的通信总线,它有效地减少了器件间连接的复杂性。
  1. 技术发展
  • 随着技术的成熟和普及,I2C 协议得到了广泛的应用和扩展。从最初的标准模式(100kHz),发展到快速模式(400kHz)和高速模式(3.4MHz)。
  1. 标准化和开放
  • 虽然最初由飞利浦半导体开发,但 I2C 协议后来被标准化并广泛应用于多种设备中。飞利浦半导体放弃了对这项技术的专利权,使其成为开放标准。
  1. 广泛应用
  • I2C 技术由于其简单性和有效性,已成为嵌入式系统设计中不可或缺的一部分。

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2. I2C 通信总线基本概念#

I2C 是一种多主机、两线制、低速串行通信总线,广泛用于微控制器和各种外围设备之间的通信。它使用两条线路:串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)进行双向传输。

特点#

  1. 两线制总线:I2C 仅使用两条线——串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)进行通信,有效降低了连接复杂性。
  2. 多主多从设备支持:I2C 支持多个主设备和多个从设备连接到同一总线上。每个设备都有唯一的地址。
  3. 可变的时钟速率:I2C 总线支持不同的速率模式,如标准模式(100kbps)、快速模式(400kbps)和高速模式(3.4Mbps)。
  4. 同步通信:I2C 是一种同步通信协议,数据传输由时钟信号(SCL)来控制。
  5. 简单的连接:I2C 通信对硬件的要求比较低,很容易在微控制器和外围设备间实现连接。
  6. 地址分配:每个 I2C 设备都通过一个 7 位或 10 位的地址来识别,这使得总线上可以连接多个设备。
  7. 阻塞传输:I2C 支持阻塞传输机制,即主设备可以在传输过程中控制总线,防止其他设备发送数据。
  8. 应用广泛:由于其简单和灵活性,I2C 被广泛应用于各种电子产品中,如传感器、LCD 显示器、EEPROM 等。
  9. 总线仲裁和冲突检测:在多主模式下,I2C 能够处理多个主设备同时尝试控制总线的情况。
  10. 低功耗:I2C 总线的设计使其成为低功耗的通信方式,适用于电池供电的设备。

基本特征#

  1. 总线结构
  • 两线制:使用两条线进行通信,分别是串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)。
  • 多主多从结构:支持多个主设备和多个从设备连接到同一总线上。
  1. 通信方式
  • 同步串行:数据传输同步于时钟信号。
  • 字节格式:每个字节由 8 位数据构成,加上开始和停止条件以及可选的应答位。
  1. 时钟速率
  • 支持多种速率,包括标准模式(100kbps)、快速模式(400kbps)和高速模式(3.4Mbps)。

工作原理#

  1. 总线控制
  • 开始和停止条件:通信由主设备通过在 SDA 线上生成特定的信号模式来开始和结束。
  • 地址帧:每次通信开始时,主设备发送一个地址帧来指定与之通信的从设备。
  1. 数据传输
  • 主从通信:主设备控制时钟信号,向从设备发送或接收数据。
  • 应答位:每个字节后,接收方

发送一个应答位(ACK)或非应答位(NACK),以告知发送方数据是否被成功接收。

地址和仲裁#

  1. 设备地址
  • 7 位或 10 位地址:每个 I2C 设备都有一个唯一的地址,允许在同一总线上连接多个设备。
  1. 总线仲裁
  • 在多主模式下,当两个主设备同时尝试控制总线时,I2C 协议包含仲裁机制以决定哪个设备获得控制权。

3. I2C 数据传输流程#

数据信号以 8 位的序列传输。所以在特殊的开始条件发生后,就会出现第一个 8 位序列,它指示了数据被发送到哪个从设备的地址。每个 8 位序列之后都会跟随一个称为确认的位。

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在大多数情况下,第一个确认位之后会跟着另一个寻址序列,但这次是针对从设备的内部寄存器。在寻址序列之后是数据序列,直到数据完全传输完毕,并以一个特殊的停止条件结束。

开始条件发生在数据线在时钟线仍然高电平的时候变低。之后,时钟开始,并且在每个时钟脉冲期间传输每一位数据。设备寻址序列从最重要的位开始,以最不重要的位结束,实际上是由 7 位组成的,因为第 8 位用于指示主设备是向从设备写入(逻辑低)还是从中读取(逻辑高)。

下一个确认位由从设备用来指示它是否成功接收了前一个位序列。所以这次主设备将 SDA 线的控制权交给从设备,如果从设备成功接收了前一个序列,它将把 SDA 线拉低到所谓的确认状态。

如果从设备没有把 SDA 线拉低,这种状态被称为不确认,意味着它没有成功接收前一个序列,这可能由多种原因造成。例如,从设备可能正忙,可能不理解接收到的数据,或者不能再接收任何数据等等。 在这种情况下,主设备决定如何继续操作。

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接下来是内部寄存器的寻址。内部寄存器是从设备内存中包含各种信息或数据的位置。

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例如,ADXL345 加速度计有一个独特的设备地址和额外的内部寄存器地址,用于 X、Y 和 Z 轴。 因此,如果我们首先想读取 x 轴的数据,我们需要发送设备地址,然后发送 x 轴的特定内部寄存器地址。这些地址可以从传感器的数据手册中找到。

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在寻址之后,数据传输序列开始,要么来自主设备,要么来自从设备,这取决于在读 / 写位选择的模式。

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在数据完全发送之后,传输将以停止条件结束,当 SDA 线在 SCL 线高电平时从低变高。这就是 I2C 通信协议的工作原理。

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上述内容出现了很多特定概念,我们下面来分别解释他们:

1. SDA 和 SCL 信号#

SDA 和 SCL 都是双向线路,通过电流源或上拉电阻连接到正电源电压 (见图 3)。 当总线空闲时,两条线路都是 HIGH。连接到总线的设备的输出级必须具有开漏极或开集电极来执行有线与功能。I2C 总线上的数据可以在标准模式下以高达 100 kbit/s 的速度传输,在快速模式下可达 400 kbit/s,在快速模式 + 中可达 1 Mbit/s,或在高速模式下可达 3.4 Mbit/s。总线电容限制了连接到总线的接口数量。 对于单个主应用程序,如果总线上没有设备会拉伸时钟,主 SCL 输出可以是推挽驱动器设计。

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2. 数据有效性#

SDA 线上的数据必须在时钟 HIGH 期间保持稳定。只有当 SCL 线上的时钟信号为 LOW 时,数据线的 HIGH 或 LOW 状态才能改变 (见图 4)。传输的每个数据位都会产生一个时钟脉冲。

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3. START 和 STOP 条件#

所有事务都以 START(S) 开始,并由 STOP(P) 终止 (参见图 5)。 SDA 线上 SCL 为 HIGH 时,HIGH 到 LOW 的转换定义了一个 START 条件。 SDA 线上 SCL 为 HIGH 时,LOW 到 HIGH 的转换定义了一个 STOP 条件。

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START 和 STOP 条件总是由主设备产生。在 START 条件之后,总线被认为是忙碌的。在 STOP 条件之后的某个时间,总线被认为是空闲的。

如果产生了重复的 START(Sr) 而不是 STOP 条件,总线保持忙碌。在这方面,START(S) 和重复的 START(Sr) 条件在功能上是相同的。

因此,对于本文档的其余部分,S 符号被用作代表 START 和重复的 START 条件的通用术语,除非 Sr 是特别相关的。

如果连接到总线的设备合并了必要的接口硬件,则检测 START 和 STOP 条件是容易的。然而,没有这种接口的微控制器必须在每个时钟周期内对 SDA 线采样至少两次,以感知转换。

4. 字节格式#

每一个放在 SDA 线上的字节必须是 8 位长。每次传输可以传输的字节数是没有限制的。每一个字节后面必须跟一个确认位。数据以最有效位 (MSB) 为首进行传输(见图 6)。如果一个从机在执行其他一些功能之前不能接收或传输另一个完整的字节数据,例如处理一个内部中断,它可以保持时钟线 SCL LOW,迫使主机进入等待状态。当从机准备好接收另一个字节数据并释放时钟线 SCL 时,数据传输继续进行。

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5. Acknowledge(ACK) 和 Not Acknowledge(NACK)#

确认发生在每个字节之后。确认位允许接收端向发送端发出信号,表示字节被成功接收,可以发送另一个字节。主设备产生所有的时钟脉冲,包括确认的第九个时钟脉冲。

确认信号定义如下:发送端在确认时钟脉冲期间释放 SDA 线,这样接收端就可以拉 SDA 线 LOW,并且在该时钟脉冲的 HIGH 期间保持稳定的 LOW(参见图 4)。

当 SDA 在第九个时钟脉冲期间保持 HIGH 时,这被定义为不确认信号。主设备然后可以产生一个 STOP 条件来中止传输,或者重复的 START 条件来启动一个新的传输。有五个条件导致 NACK 的产生:

  1. 没有接收器在总线上传输地址,所以没有设备响应确认。
  2. 接收器无法接收或发送,因为它正在执行一些实时功能,并且还没有准备好与主服务器进行通信。
  3. 在传输过程中,接收方收到了它无法理解的数据或命令。
  4. 在传输过程中,接收方不能接收到任何更多的数据字节。
  5. 主接收机必须向从发送机发出传输结束的信号。

6. 时钟同步#

两个主控器可以同时在一个空闲总线上开始传输,必须有一种方法来决定哪个主控器控制总线并完成传输。这是通过时钟同步和仲裁来实现的。在单主控器系统中,时钟同步和仲裁是不需要的。

时钟同步是通过 I2C 接口到 SCL 线的有线与连接来实现的。这意味着 SCL 线上的 HIGH 到 LOW 转换会导致相关的主控器开始计数他们的 LOW 周期,一旦主控器时钟变为 LOW,它会保持 SCL 线处于该状态,直到时钟达到 HIGH 状态 (见图 7)。然而,如果另一个时钟仍然在它的 LOW 周期内,这个时钟的 LOW 到 HIGH 转换可能不会改变 SCL 线的状态。因此,SCL 线被具有最长 LOW 周期的主控器保持为 LOW。具有较短 LOW 周期的主控器在这段时间内进入 HIGH 等待状态。

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当所有主控机都结束了低周期时,SCL 线释放并变为高电平。此时主控机时钟与 SCL 线的状态没有区别,所有主控机开始计算它们的高周期。第一个完成高周期的主控机再次拉低 SCL 线。

这样,一个同步 SCL 时钟就产生了,它的低周期由低周期最长的主控机决定,而它的高周期由高周期最短的主控机决定。

7. 仲裁#

仲裁,像同步一样,是指只有在系统中使用多个主设备时才需要的协议部分。从设备不参与仲裁过程。只有总线空闲时,主设备才可以开始传输。两个主设备可以在最小保持时间 (tHD; STA) 内产生一个 START 条件,这会导致总线上产生一个有效的 START 条件。然后需要仲裁来决定哪个主设备将完成它的传输。

仲裁逐位进行。在每个位期间,当 SCL 为 HIGH 时,每个主设备检查 SDA 电平是否与它所发送的相匹配。这个过程可能需要许多位。两个主设备实际上可以无误地完成整个事务,只要传输是相同的。第一次一个主设备试图发送 HIGH,但检测到 SDA 电平为 LOW,主设备知道它已经失去了仲裁并关闭 SDA 输出驱动器。另一个主设备继续完成它的事务。

在仲裁过程中没有信息丢失。一个失去仲裁的主设备可以产生时钟脉冲,直到它失去仲裁的字节结束,并继续产生时钟脉冲。必须在总线空闲时重新开始它的事务。

如果一个主设备也包含一个从设备功能,并且它在寻址阶段失去仲裁,有可能是获胜的主设备试图寻址它。因此,失败的主设备必须立即切换到它的从设备模式。

图 8 显示了两个主设备的仲裁过程。可能涉及更多内容,这取决于总线连接了多少主设备。当产生 DATA1 的主设备的内部数据电平与 SDA 线上的实际电平之间存在差异时,DATA1 输出被关闭。这不影响由获胜的主设备发起的数据传输。

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由于 I2C 总线的控制完全由竞争主设备发送的地址和数据决定,所以没有中心主设备,总线上也没有任何优先顺序。 如果仲裁程序仍在进行,当一个主设备发送重复的 START 或 STOP 条件,而另一个主设备仍在发送数据时,则存在一个未定义的条件。换句话说,以下组合会导致一个未定义的条件:

  • 主设备 1 发送重复的 START 条件,主设备 2 发送一个数据位。
  • 主设备 1 发送 STOP 条件,主设备 2 发送一个数据位。
  • 主设备 1 发送重复的 START 条件,主设备 2 发送一个 STOP 条件。

8. 时钟拉伸#

时钟拉伸通过保持 SCL 线 LOW 暂停事务。事务无法继续,直到该线再次释放为 HIGH。时钟拉伸是可选的,事实上,大多数从设备不包括 SCL 驱动程序,因此它们无法拉伸时钟。

在字节级,设备可能能够以较快的速度接收字节数据,但需要更多的时间来存储接收到的字节或准备传输另一个字节。从设备可以在接收和确认一个字节后保持 SCL 线 LOW,以迫使主设备进入等待状态,直到从设备准备好在一种握手过程类型中进行下一个字节传输 (见图 7)。

在位级,设备如微控制器,具有或不具有 I2C 总线有限的硬件,可以通过延长每个时钟 LOW 周期来减慢总线时钟。任何主设备的速度都适应于该设备的内部运行速率。

9. 从地址和 R/W 位#

数据传输遵循图 9 所示的格式。在 START 条件 (S) 之后,发送一个从地址。这个地址是 7 位长,后面跟着第八位,这是一个数据方向位 (R/W)——“0” 表示传输 (WRITE),“1” 表示数据请求 (READ)(参见图 10)。数据传输总是由 master 生成的 STOP 条件(P) 终止。然而,如果 master 仍然希望在总线上通信,它可以生成一个重复的 START 条件 (Sr) 并在没有首先生成 STOP 条件的情况下寻址另一个从设备。在这样的传输中,各种读 / 写格式的组合是可能的。

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10. 10 位寻址#

10 位寻址扩展了可能的地址数。具有 7 位和 10 位地址的设备可以连接到同一个 I2C 总线,并且 7 位和 10 位寻址都可以在所有总线速度模式下使用。目前,10 位寻址还没有被广泛使用。 10 位从属地址是由一个 START 条件 (S) 或重复的 START 条件 (Sr) 之后的前两个字节组成的。 第一个字节的前 7 位是组合 1111 0XX,其中最后两个位 (XX) 是 10 位地址的两个最有效位(MSB);第一个字节的第八位是 R/W 位,它决定了消息的方向。 虽然有 8 个可能的保留地址位 1111 XXX 的组合, 但只有四个组合 1111 0XX 用于 10 位寻址。其余四个组合 1111 1XX 被保留用于未来的 I2C 总线增强。

所有先前描述的 7 位寻址的读 / 写格式组合都可能用 10 位寻址。这里详细介绍两种格式:

  • 主发送器用一个 10 位从属地址向从属接收器发送。 传输方向不变 (见图 14)。当一个 10 位地址跟随一个 START 条件时,每个从属比较从属地址第一个字节的前 7 位(1111 0XX) 与自己的地址,并测试第八位 (R/W 方向位) 是否为 0。可能有多个设备找到一个匹配并产生一个确认 (A1)。所有找到匹配的从属比较从属地址第二个字节的八位(XXXX XXXX) 与自己的地址,但只有一个从属找到一个匹配并产生一个确认 (A2)。匹配的从属仍然由主寻址,直到它接收到一个 STOP 条件(P) 或重复的 START 条件(Sr),后面跟着一个不同的从属地址。
  • 主接收器用一个 10 位从属地址读取从属发送器。 传输方向在第二个 R/W 位之后改变 (图 15)。直到并包括确认位 A2,过程与前面描述的用于一个从属发送器的程序相同。主发送器寻址从接收器。在重复的 START 条件(Sr) 之后,匹配的从设备记住它之前被寻址过。这个从设备然后检查 Sr 之后的从地址的第一个字节的前 7 位是否与它们在 START 条件 (S) 之后是相同的,并测试第八位 (R/W) 是否为 1。 如果有匹配,从设备认为它被作为一个发送器寻址,并产生确认 A3。从发送器保持寻址状态,直到它接收到一个 STOP 条件 (P) 或接收到另一个重复的 START 条件 (Sr) 后跟随一个不同的从地址。在重复的 START 条件 (Sr) 之后,所有其他从设备也将比较从地址 (1111 0XX) 的第一个字节的前 7 位与它们自己的地址,并测试第八位 (R/W)。 然而,它们中没有一个被寻址,因为 R/W=1(10 位设备),或者 1111 0XX 从地址(7 位设备) 不匹配。

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具有 10 位寻址的从设备对 “通用调用” 的反应与具有 7 位寻址的从设备相同。硬件主设备可以在 “通用调用” 后传输其 10 位地址。在这种情况下,“通用调用”地址字节后面跟着两个连续的字节,其中包含主发送器的 10 位地址。格式如图 15 所示,第一个数据字节包含主地址的最低有效位 8 位。

开始字节 0000 0001 (01h) 可以以与 7 位地址相同的方式出现在 10 位地址之前。

11. 通用调用地址#

通用调用地址用于同时寻址连接到 I2C 总线的每个设备。然而,如果一个设备不需要通用调用结构中提供的任何数据,它可以通过不发出确认来忽略这个地址。如果一个设备确实需要来自通用调用地址的数据,它会确认这个地址并表现为从接收器。如果一个或多个设备响应,主设备实际上不知道有多少设备确认。第二个字节和后续字节被每一个能够处理此数据的从接收器确认。一个不能处理这些字节之一的从设备必须通过不确认来忽略它。同样,如果一个或多个从设备确认,主设备将不会看到不确认。通用调用地址的含义总是在第二个字节中指定 (见图 16)。

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有两种情况需要考虑:

  • 当最低有效位 B 为 “0” 时。
  • 当最低有效位 B 为 “1” 时。

当位 B 为 “0” 时,第二个字节有以下定义:

  • 0000 0110 (06h):硬件复位并写入从地址的可编程部分。在接收到这个 2 字节序列时,所有设计用于响应通用调用地址的设备都复位并接收其地址的可编程部分。 必须采取预防措施,以确保设备在施加电源电压后没有拉下 SDA 或 SCL 线,因为这些低电平会阻塞总线。
  • 0000 0100 (04h):硬件写入从地址的可编程部分。 行为与上述相同,但设备不复位。
  • 0000 0000 (00h):此代码不允许用作第二个字节。 编程过程的序列在适当的设备数据表中公布。其余代码尚未固定,设备必须忽略它们。 当位 B 为 “1” 时,2 字节序列是“硬件通用调用”。这意味着该序列由硬件主设备传输,例如键盘扫描器, 它可以被编程来传输所需的从地址。由于硬件主设备事先并不知道消息必须被传输到哪个设备,它只能生成这个硬件通用调用和它自己的地址 — 向系统标识它自己(参见图 17)。

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第二个字节中剩下的七位包含硬件主机的地址。 这个地址被连接到总线的智能设备 (例如,微控制器) 识别,然后接受来自硬件主机的信息。如果硬件主机也可以充当从机,从机地址与主机地址相同。

在某些系统中,另一种方法是将硬件主发射机在系统复位后设置为从接收机模式。这样,系统配置主可以告诉硬件主发射机 (现在处于从接收机模式) 必须发送数据到哪个地址(见图 18)。在编程程序之后,硬件主保持在主发射机模式。

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12. 开始字节#

微控制器可以以两种方式连接到 I2C 总线。带有片上硬件 I2C 总线接口的微控制器可以被编程为只被总线请求中断。当设备没有这样的接口时,它必须通过软件不断地监视总线。显然,微控制器监视或轮询总线的次数越多,它执行预定功能的时间就越少。 因此,在快速的硬件设备和相对较慢的依赖于软件轮询的微控制器之间存在速度差异。 在这种情况下,数据传输可以先由一个比正常情况长得多的启动过程 (见图 19)。启动过程包括:

  • 一个开始条件 (S)
  • 一个开始字节 (0000 0001)
  • 一个确认时钟脉冲 (ACK)
  • 一个重复的开始条件 (Sr)

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在需要总线访问的主机传输了 START 条件 S 之后, 传输 START 字节 (0000 0001)。另一个微控制器因此可以以低采样率对 SDA 线进行采样,直到检测到 START 字节中的 7 个零之一。在检测到 SDA 线上的 LOW 电平后,微控制器可以切换到更高的采样率,以找到重复的 START 条件 Sr,然后用于同步。

硬件接收器在接收到重复的 START 条件 Sr 后重置,因此忽略 START 字节。

在 START 字节后生成一个与确认相关的时钟脉冲。这只是为了符合总线上使用的字节处理格式。不允许任何设备确认 START 字节。

13. 设备 ID#

设备 ID 字段 (见图 20) 是一个可选的 3 字节只读 (24 位) 字,提供以下信息:

  • 12 位制造商名称,每个制造商 (例如 NXP) 都是唯一的
  • 9 位部件标识,由制造商指定 (例如 PCA9698)
  • 3 位模具修订,由制造商指定 (例如 RevX)

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设备 ID 是只读的,硬连接在设备中,可以按如下方式访问:

  1. START 条件
  2. 主控器发送保留设备 ID I2C 总线地址,后面跟着设置为‘0’的 R/W 位 (写入):“1111 1000”。
  3. 主设备发送它必须识别的从设备的 I2C 总线从地址。LSB 是一个 “不关心” 的值。只有一个设备必须确认这个字节(具有 I2C 总线从地址的设备)。
  4. 主设备发送一个 Re-START 条件。 备注:一个 STOP 条件跟随一个 START 条件重置从设备的状态机,设备 ID 读取无法执行。同样,一个 STOP 条件或一个 Re-START 条件跟随访问另一个从设备重置从设备的状态机,设备 ID 读取无法执行。
  5. 主控器发送保留设备 ID I2C 总线地址,后面跟着设置为‘1’的 R/W 位:‘1111 1001’。
  6. 设备 ID 读取可以完成,从 12 个制造商位 (第一个字节 + 第二个字节的四个 MSB) 开始,接下来是 9 个部件识别位(第二个字节的四个 LSB + 第三个字节的五个 MSB),然后是三个模具修正位(第三个字节的三个 LSB)。
  7. 主设备通过 ACK 最后一个字节结束读取序列,从而重置从设备的状态机并允许主设备发送 STOP 条件。

备注:设备 ID 的读取可以通过发送一个 ACK 在任何时候停止。

如果主设备继续 ACK 第三个字节后的字节,从设备回滚到第一个字节并继续发送设备 ID 序列,直到检测到一个 ACK。

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4. I2C 传输数据的格式#

4.1 写操作#

流程如下:

  • 主芯片要发出一个 start 信号
  • 然后发出一个设备地址 (用来确定是往哪一个芯片写数据),方向 (读 / 写,0 表示写,1 表示读)
  • 从设备回应 (用来确定这个设备是否存在),然后就可以传输数据
  • 主设备发送一个字节数据给从设备,并等待回应
  • 每传输一字节数据,接收方要有一个回应信号(确定数据是否接受完成),然后再传输下一个数据。
  • 数据发送完之后,主芯片就会发送一个停止信号。

下图:白色背景表示 “主→从”,灰色背景表示 “从→主”

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4.2 读操作#

流程如下:

  • 主芯片要发出一个 start 信号
  • 然后发出一个设备地址 (用来确定是往哪一个芯片写数据),方向 (读 / 写,0 表示写,1 表示读)
  • 从设备回应 (用来确定这个设备是否存在),然后就可以传输数据
  • 从设备发送一个字节数据给主设备,并等待回应
  • 每传输一字节数据,接收方要有一个回应信号(确定数据是否接受完成),然后再传输下一个数据。
  • 数据发送完之后,主芯片就会发送一个停止信号。

下图:白色背景表示 “主→从”,灰色背景表示 “从→主”

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4.3 I2C 信号#

I2C 协议中数据传输的单位是字节,也就是 8 位。但是要用到 9 个时钟:前面 8 个时钟用来传输 8 数据,第 9 个时钟用来传输回应信号。传输时,先传输最高位 (MSB)。

  • 开始信号(S):SCL 为高电平时,SDA 山高电平向低电平跳变,开始传送数据。
  • 结束信号(P):SCL 为高电平时,SDA 由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
  • 响应信号 (ACK):接收器在接收到 8 位数据后,在第 9 个时钟周期,拉低 SDA
  • SDA 上传输的数据必须在 SCL 为高电平期间保持稳定,SDA 上的数据只能在 SCL 为低电平期间变化

I2C 协议信号如下:

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4.4 协议细节#

  • 如何在 SDA 上实现双向传输? 主芯片通过一根 SDA 线既可以把数据发给从设备,也可以从 SDA 上读取数据,连接 SDA 线的引脚里面必然有两个引脚(发送引脚 / 接受引脚)。
  • 主、从设备都可以通过 SDA 发送数据,肯定不能同时发送数据,怎么错开时间? 在 9 个时钟里, 前 8 个时钟由主设备发送数据的话,第 9 个时钟就由从设备发送数据; 前 8 个时钟由从设备发送数据的话,第 9 个时钟就由主设备发送数据。
  • 双方设备中,某个设备发送数据时,另一方怎样才能不影响 SDA 上的数据? 设备的 SDA 中有一个三极管,使用开极 / 开漏电路 (三极管是开极,CMOS 管是开漏,作用一样),如下图:

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真值表如下:

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从真值表和电路图我们可以知道:

  • 当某一个芯片不想影响 SDA 线时,那就不驱动这个三极管
  • 想让 SDA 输出高电平,双方都不驱动三极管 (SDA 通过上拉电阻变为高电平)
  • 想让 SDA 输出低电平,就驱动三极管

4.5 示例:主设备发送(8bit)给从设备#

从下面的例子可以看看数据是怎么传的(实现双向传输)。 举例:主设备发送(8bit)给从设备

  • 前 8 个 clk

  • 从设备不要影响 SDA,从设备不驱动三极管

  • 主设备决定数据,主设备要发送 1 时不驱动三极管,要发送 0 时驱动三极管

  • 第 9 个 clk,由从设备决定数据

  • 主设备不驱动三极管

  • 从设备决定数据,要发出回应信号的话,就驱动三极管让 SDA 变为 0

  • 从这里也可以知道 ACK 信号是低电平

从上面的例子,就可以知道怎样在一条线上实现双向传输,这就是 SDA 上要使用上拉电阻的原因。

4.6 为何 SCL 也要使用上拉电阻?#

在第 9 个时钟之后,如果有某一方需要更多的时间来处理数据,它可以一直驱动三极管把 SCL 拉低。 当 SCL 为低电平时候,大家都不应该使用 IIC 总线,只有当 SCL 从低电平变为高电平的时候,IIC 总线才能被使用。 当它就绪后,就可以不再驱动三极管,这是上拉电阻把 SCL 变为高电平,其他设备就可以继续使用 I2C 总线了。

对于 IIC 协议它只能规定怎么传输数据,数据是什么含义由从设备决定。

5. I2C 通信的高级应用#

在嵌入式系统设计中,I2C 应用广泛,如:

5.1 传感器网络#

在多传感器系统中,I2C 用于读取各种环境参数,如温度、湿度、光照强度等。这些数据可以被用于自动化控制系统或数据监测。

5.2 多设备控制#

在复杂的嵌入式系统中,如机器人或无人机,I2C 用于控制和监测多个执行器和传感器,实现精确的运动控制和环境反馈。

5.3 嵌入式通信网络#

I2C 也常用于建立微控制器和各种外围设备(如显示屏、存储设备等)之间的通信网络。

结论#

I2C 通信总线以其简单、高效和灵活的特性,在嵌入式系统设计中占据了举足轻重的地位。对于经验丰富的技术专家而言,深入理解 I2C 的工作原理和应用场景,不仅可以提高系统设计的效率和可靠性,还可以为解决复杂的设计挑战提供更多的可能性。随着嵌入式技术的不断进步,I2C 的应用领域和技术深度也将持续扩展,为嵌入式系统设计带来更多创新和突破。>)

嵌入式 - I2C
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作者
沐印
发布于
2024-07-09
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0