基于主控模式下的I2C通信從動(dòng)模式軟件設(shè)計(jì)

周首杰

摘 要：以I2C通信主控方的要求為基礎(chǔ)，討論I2C通信從動(dòng)方的程序編寫。內(nèi)容包括I2C通信的起始部分（握手部分）、數(shù)據(jù)傳送部分以及停止部分的程序編寫，以三部分通信波形要求為準(zhǔn)，總結(jié)軟件編寫流程。I2C通信的數(shù)據(jù)格式靈活多樣，可以一次傳送8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也可以一次傳送8的倍數(shù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，從機(jī)在通信中必須按照主機(jī)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。總結(jié)從機(jī)的數(shù)據(jù)傳送程序流程，以期滿足主機(jī)的通信要求，從而得出I2C通信從動(dòng)模式的詳細(xì)總結(jié)。

關(guān)鍵詞：I2C通信;主控模式;從動(dòng)模式;起始信號;停止信號;數(shù)據(jù)格式;數(shù)據(jù)傳送

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-02

0 引 言

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在著大量的IC間通信，目前使用較多的為I2C通信。當(dāng)前大部分單片機(jī)均可采用硬件方式的I2C模式進(jìn)行通信，但也有少部分單片機(jī)為降低成本，并未設(shè)計(jì)硬件方式的I2C通信，因此只能采用軟件方式來實(shí)現(xiàn)芯片間通信。目前已有大量文獻(xiàn)討論了I2C通信時(shí)主控方的軟件編寫，但作為通信的另一方，從控方的程序編寫很少有相關(guān)資料涉及，特別是從控方的程序相較于主控方的程序更為復(fù)雜。因此從主機(jī)通信要求出發(fā)，總結(jié)了一套從機(jī)的通信軟件編寫流程[1-3]。

通過主機(jī)發(fā)出的信號請求，要求從控機(jī)采取相應(yīng)應(yīng)答信號。為了實(shí)現(xiàn)從機(jī)的實(shí)時(shí)性，要求從機(jī)的SCL線輸入采用外部中斷方式進(jìn)行，可將中斷方式設(shè)置為上升沿觸發(fā)方式。

1 起始信號

圖1所示為主控機(jī)發(fā)送I2C起始信號的波形圖。I2C總線通過上拉電阻連接電源的正極，當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL均為線“與”關(guān)系。進(jìn)行I2C通信時(shí)，首先要確認(rèn)總線是否空閑。圖1中，主機(jī)先將數(shù)據(jù)線拉高，再將時(shí)鐘線拉高，但需注意在拉高時(shí)鐘線時(shí)從機(jī)的響應(yīng)，其中時(shí)間t1為從機(jī)響應(yīng)時(shí)間。從機(jī)應(yīng)立即釋放時(shí)鐘線，轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)。主機(jī)只有檢測到從機(jī)釋放時(shí)鐘線控制權(quán)時(shí)才能進(jìn)行下一步操作。主機(jī)在拉高時(shí)鐘線后，檢測時(shí)鐘線的狀態(tài)，只有從機(jī)為輸入，時(shí)鐘線變高后，主機(jī)才可以發(fā)出起始命令[4]。

時(shí)鐘信號線為高電平時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)線拉低以發(fā)送起始命令，此時(shí)從機(jī)檢測到數(shù)據(jù)信號線產(chǎn)生由高到低的信號變化后，從機(jī)立即檢測時(shí)鐘信號線是否產(chǎn)生由高到低的變化，如若產(chǎn)生，則說明通信起始信號已發(fā)出，主機(jī)準(zhǔn)備與從機(jī)通信[5]。從機(jī)控制流程如圖2所示。

2 停止信號

停止信號的產(chǎn)生比起始信號簡單，從機(jī)對停止信號的要求也比起始信號簡單。

圖3所示為主機(jī)停止信號波形圖，對應(yīng)從機(jī)在主機(jī)時(shí)鐘信號進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，通過檢測主機(jī)在數(shù)據(jù)線上發(fā)出的由低到高的電平變化來確認(rèn)通信結(jié)束。

3 應(yīng)答信號

主機(jī)發(fā)送1 B數(shù)據(jù)后，在第九個(gè)時(shí)鐘（CLOCK）脈沖時(shí)必須釋放數(shù)據(jù)線，由從機(jī)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號。從機(jī)回復(fù)低電平為有效應(yīng)答（ACK），表示從機(jī)已成功接收到該字節(jié);從機(jī)回復(fù)高電平為非應(yīng)答信號（NACK），表示從機(jī)未成功接收該字節(jié)。如果是有效的應(yīng)答信號位，要求從機(jī)在第九個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平時(shí)間將數(shù)據(jù)線拉低，并確保在第九個(gè)時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。如果主機(jī)從從機(jī)讀取信息，則在讀完1 B數(shù)據(jù)后，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號ACK，讀完最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)NACK信號，通知從機(jī)結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并在最后發(fā)送一個(gè)停止信號給從機(jī)。應(yīng)答信號波形如圖4所示。在每8位數(shù)據(jù)傳送完成后，第九個(gè)時(shí)鐘脈沖傳送一個(gè)應(yīng)答信號。向從機(jī)中寫信息即由從機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號;從從機(jī)中讀信息，即由主機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號。應(yīng)答信號為低即為成功，為高則為失敗。

從機(jī)必須配合主機(jī)工作，從機(jī)在第九個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿產(chǎn)生中斷時(shí)，將根據(jù)自己的接收情況產(chǎn)生應(yīng)答信號。從機(jī)工作程序流程如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)傳送

4.1 字節(jié)傳送與應(yīng)答格式

數(shù)據(jù)傳送時(shí)先高位后低位，9位為一幀。如果從機(jī)未應(yīng)答主機(jī)信號，如從機(jī)正在進(jìn)行其他工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)，則此時(shí)從機(jī)在應(yīng)答時(shí)必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，產(chǎn)生一個(gè)非應(yīng)答信號，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。每傳送完一個(gè)8位數(shù)據(jù)，主機(jī)都要與從機(jī)通過應(yīng)答與非應(yīng)答信號進(jìn)行溝通以確定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

在主機(jī)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)非應(yīng)答信號（此時(shí)的應(yīng)答信號由主機(jī)發(fā)出）作為線束標(biāo)志。從機(jī)釋放SDA線，允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號。

4.2 數(shù)據(jù)幀格式

從機(jī)地址為7位，分別占據(jù)一個(gè)字節(jié)的D7～D1位。D0位為讀寫標(biāo)志位，D0=0為寫入從機(jī)操作;D0=1，為從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)操作。從機(jī)地址格式與讀寫格式如圖6所示。

（1）主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，以8位數(shù)據(jù)加一位應(yīng)答為一幀，從機(jī)負(fù)責(zé)應(yīng)答。主機(jī)先寫入從機(jī)地址，再寫入從機(jī)存儲(chǔ)器地址，后面為要寫入的數(shù)據(jù)，以一個(gè)字節(jié)加一個(gè)應(yīng)答位（非應(yīng)答位）為一幀寫入。如果只寫一個(gè)字節(jié)，寫完后主機(jī)可發(fā)停止信號，如果繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)，則主機(jī)繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)即可，不必再次輸入存儲(chǔ)器地址，從機(jī)會(huì)在上一地址上自動(dòng)加1進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此時(shí)要特別注意的是：從機(jī)一定要有應(yīng)答信號（ACK），否則主機(jī)將終止數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。從機(jī)無論是產(chǎn)生非應(yīng)答信號還是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未產(chǎn)生應(yīng)答信號，主機(jī)都視為無應(yīng)答，將終止數(shù)據(jù)傳送。寫數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)程序較簡單，只要在CLOCK時(shí)鐘線上升沿產(chǎn)生的中斷中依次接收數(shù)據(jù)，并在接收完8位數(shù)據(jù)后產(chǎn)生應(yīng)答信號即可。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果為從機(jī)地址數(shù)據(jù)，則判斷此數(shù)據(jù)是否與己方地址相同，相同則繼續(xù)接收，不同則放棄接收。然后接收存儲(chǔ)器地址，并接收數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)時(shí)將所接收的數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)。從機(jī)程序流程如圖8所示。

（2）主機(jī)從從機(jī)讀數(shù)據(jù)

讀取數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)時(shí)的格式存在一定區(qū)別，從機(jī)地址信息需寫2次，且需發(fā)2次起始信息。數(shù)據(jù)框圖如圖9所示。

由于接收數(shù)據(jù)時(shí)從機(jī)程序比較簡單，在此不再討論。

5 結(jié) 語

I2C通信是單片機(jī)與單片機(jī)之間，或單片機(jī)與存儲(chǔ)器之間的通信，對于經(jīng)濟(jì)型單片機(jī)而言，能有效節(jié)省單片機(jī)的I/O口，因此I2C通信也在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文是長期編程過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望能給讀者提供一定參考。

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