I2C總線的單片機C語言實現及其應用

1　I2C總線概述

I2C（Intel－Integrated Circuit）總線是荷蘭的Philips公司于八十年代初推出的一種芯片間串行總線擴展技術。它用兩根線（數據線SDA、時鐘線SCL）可完成總線上主機與器件的全雙工同步數據傳送，可極方便地構成多主機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。I2C總線支持所有NMOS、CMOS、TTL等工藝制造的器件，其上所有的節(jié)點都連到同名的SDA、SCL上。I2C總方法，數據傳送都有相同的操作模式，接口電器特性相同且獨立，可在系統(tǒng)供電情況下從系統(tǒng)中移去或增加IC芯片，有I2C接口的外圍器件都有應答能力，讀寫片內單元時有地址自動加1功能，易實現多個字節(jié)的自動操作。近年來，國際上有關公司制造了多達幾百種的I2C總線器件，如8051系列單片機8XC752、LCD驅動器、RAM、I／O接口等芯片都使用了I2C總線接口。隨著數字技術的發(fā)展，I2C總線控制系統(tǒng)已經應用于越來越多的電子產品。

2　I2C總線的數據傳輸

2．1　接口特性

I2C總線接口的數據線SDA和時鐘線SCL必須經過上拉電阻接到正電源VDD上，各個I2C接口電路輸出端必須是漏極開路或集電極開路，以便完成“線與”的功能。I2C的SDA和SCL都是雙向傳輸線，當總線空閑時，此兩線都是“1”（高電平）。由于不同的器件都會接到I2C總線，邏輯的“0”（低）及“1”（高）的信號電平取決于VDD的電壓。總線上能連接的最大器件數取決于其電容容限400PF。

2．2　I2C總線上的傳輸時序

I2C總線上每傳輸一位數據都有一個時鐘脈沖相對應，在標準模式下可達100 kbit／s，高速模式下可達400kbit／s，總線上依據器件功能不同可建立簡單的主／從關系（master／slave），只有帶CPU的器件才可成主控器。圖1為I2C總線一次完整的數據傳輸。SCL為高期間，SDA狀態(tài)必須穩(wěn)定，SCL為低時才允許SDA狀態(tài)變化。SCL保持高電平期間，SDA出現由高至低的轉換將啟動I2C總線，出現由低至高的轉換將停止數據傳輸。起始和終止信號通常由主控器產生。I2C總線的信號時序有嚴格規(guī)定，本應用采用標準模式，SCL低電平周期≥4．7μs，SCL高電平周期≥4．0μs，START和STOP之間的總線空閑時間≥4．7μs。

I2C 總線上傳送的每個字節(jié)必須為8位，啟動和停止之間可傳輸的數據字節(jié)數不受限制。采用串行傳送，首先傳送最高位，每傳送一個字節(jié)后必須跟一個應答位。主控器產生應答所需的時鐘脈沖期間，發(fā)送器必須釋放數據線（SDA為高），以便接收器輸出應答位。低電平為應答信號，高電平為非應答信號。非應答信號是當主控器作為接收器時，收到最后一個字節(jié)數據后，必須發(fā)送一個非應答信號給被控發(fā)送器，使被控發(fā)送器釋放數據線，以便主控器發(fā)停止信號，終止數據傳送。當從器件不能再接收字節(jié)時也會出現非應答信號這種情況。

I2C總線上的器件一般有兩個地址：受控地址和通用廣播訪問地址，每個器件有唯一的受控地址用于定點通信，而相同的通用廣播訪問地址則用于主控方同時對所有器件進行訪問。如圖1所示，起始信號后主控器發(fā)送的第一個字節(jié)就是被讀器件的受控地址，稱作尋址字節(jié)。尋址字節(jié)由高7位地址和最低1位方向位組成，方向位為“0”表明主控器對被控器的寫操作（W），方向位為 “1”表明對被控器的讀操作（R）。總線上每個器件在起始信號后都把自己的地址與尋址字節(jié)的前7位相比較，如相同則器件被選中，產生應答，并根據讀寫位決定在數據傳送中是接收還是發(fā)送。無論是主發(fā)、主收還是從發(fā)、從收，都是由主器件控制，數據傳送完后，主控器都必須發(fā)停止信號。

3　I2C總線的C51語言實現

C51語言是針對Intel的8位單片機MCS－51系列而開發(fā)的、具有一般C語言特點的高級編程語言。從1985年至今，有許多公司推出 51系列的C語言編譯器，其中以Franklin C51編譯器在代碼生成方面較為領先，它可生成最少的代碼，支持浮點和長整數、重入和遞歸。頭文件reg51．h中包含了51單片機的特殊功能寄存器（SFR）的字節(jié)定義與位定義。為了與具有I2C總線接口的51單片機兼容，可在程序開始處定義單片機的P1．6和P1．7作為I2C總線的SCL和SDA信號，實際中也可用其它的I／O引腳作為SCL和SDA信號。C51語言中只要用賦值語句”＝”就可實現I／O口某位的數據輸出和讀入。現將I2C總線底層讀寫函數接口及功能列舉如下，它可用于沒有內部I2C接口的51系列單片機與I2C總線器件通信。
＃include＜reg51．h＞
／＊全局符號定義＊／
＃define HIGH1
＃define LOW 0
＃define FALSE0
＃define TRUE1
＃define time 1
＃define uchar unsigned char　　
＃define uint unsigned int
sbit SCL＝P1＾6；
sbie SDA＝P1＾7；

1）函數原型：void delay（uchar nu m）　

功　　能：用for（）循環(huán)提供延時。在實際應用中可依具體情況改變傳入參數，但必須滿足I2C總線時序中對SCL高、低電平周期的要求，本應用中取1，調用形式為delay（time）。

2）函數原型：void start（void）　

功　　能：提供I2C總線工作時序中的起始位，在SCL＝HIGH期間，SDA出現由高到底的轉變，返回前將SCL拉低，允許數據變化，準備傳輸。其中調用函數1。

3）函數原型：void stop（void）　

功　　能：函數提供I2C總線工作時序中的起始位，在SCL＝HIGH期間，SDA出現由低到高的轉變。其中調用函數1。

4）函數原型：void sendbyte（uchar b，uchar＊error）　

功　　能：在時鐘作用下，將入口參數b中8位數據由高至低通過SDA線發(fā)送，并讀回應答信號，存于指針變量＊error中。其中調用函數1、2、3。

5）函數原型：void readbyte（uchar＊b，bit Ack）　

功　　能：函數在時鐘作用下接收8位數據，存于＊b中，先接收的為高位，并發(fā)送應答信號（Ack＝0），當接收到最后一字節(jié)時發(fā)送非應答（Ack＝1）。其中調用函數1、2、3。

6）函數原型：void send－n－byte（uchar＊info，uint n，uchar address，uchar＊fault）　功　　能：向I2C器件連續(xù)發(fā)送n個數據字節(jié)，數據存于數組info［］中，address為器件受控地址，末位為0（寫），n個數據的地址可作為數據字節(jié)發(fā)送，或設置地址自動加減功能。＊fault存收到的應答位。其中調用函數1－4.

7）函數原型：void receive＿n＿byte（uchar＊info，uint n，uchar address，uchar＊fault）　

功　　能：從I2 C器件連續(xù)接收n個字節(jié)的數據，存于數組info［］中，address為器件地址，本函數保證器件地址末位是1（讀），n個數據的器件內地址可作為數據字節(jié)發(fā)送，或設置地址自動加減功能。收最后一字節(jié)時發(fā)非應答信號1。＊fault存收到的應答位。其中調用函數1－5。

以下僅以sendbyte（）函數原型為例說明C51如何具體實現I2C總線的發(fā)送：
void sendbyte（uchar b，uchar＊error）
｛int count；
bit data＿bit；
＊error＝0；
for（count＝7；count＞＝0；count－－）
｛data＿bit＝（bit）（b＆0x80）；
b＝b＜＜1；
／＊送數據位，產生時鐘脈沖＊／
SDA＝data＿bit；
SCL＝LOW；delay（time）；
SCL＝HIGH；delay（time）；
SCL＝LOW；delay（time）；
｝
／＊釋放數據線，產生時鐘脈沖，讀回應答＊／
SDA＝HIGH；

SCL＝LOW；delay（time）；
SCL＝HIGH；delay（time）；
＊error＝（uchar）SDA；
／＊釋放數據線，時鐘置低＊／
SDA＝HIGH；
SCL＝LOW；delay（time）；｝