用示波器對單片機I2C時序進行圖形波形分析的試驗小結

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對于嵌入式開發的朋友來說，I2C協議實在是再熟悉不過了，有太多的器件，采用的都是通過I2C來進行相應的設置。今天，我們就隨便聊聊這個I2C協議。

I2C協議中最重要的一點是I2C地址。這個地址有7位和10位兩種形式。7位能夠表示127個地址，而在實際使用中基本上不會掛載如此多的設置，所以很多設備的地址都采用7位，所以本文接下來的說明都是基于此。

I2C還有一個很重要的概念，就是“主—從”。對于從設備來說，它是啥都不干的，更不會自動發送數據；而主設備，則是起到控制作用，一切都是從它開始。

除了GND以外，I2C有兩根線，分別是SDA和SCL，所有的設備都是接到這兩根線上。那么，這些設備如何知道數據是發送給它們呢？這就得依靠前面所說到的地址了。設備I2C的地址是固定的，比如0x50，0x60等等。因為只能有127個地址，地址沖突是很常見的，所以一般設備都會有一個地址選擇PIN，比如拉高時候為0x50，接地為0x60。如果無論拉高還是接地，都和別的芯片有沖突，那該怎么辦呢？答案是：涼拌，沒辦法。遇到這種情況，只能換芯片了。

我們來看I2C協議中的數據傳輸時序圖：

SCL是時鐘，SDA承載的是數據。當SDA從1變動到0，而SCL還是1時，表示開始數據傳輸。接下來的7位，就是設備的地址。緊接著的是讀寫標志，其為1時是讀取，為0則是寫。如果I2C總線上存在著和請求的地址相對應的設備，則從設備會發送一個ACK信號通知主設備，可以發送數據了。接到ACK信號后，主設備則發送一個8位的數據。當傳輸完畢之后，SCL保持為1，SDA從0變換到1時，標明傳輸結束。

從這個時序圖中可以看到，SCL很重要，并且哪個時鐘沿是干嘛的，都是確定好的。比如，前面7個必定是地址，第8個是讀寫標志，數據傳輸必須是8位，必須接個ACK信號等等。

前面的時序圖并沒有標明數據傳輸的方向，我們現在看看寫操作的數據流向：

網格的是主設備發送的，白色格子是從設備發送的。從圖示中可以看到，對于寫操作，從設備都只是發送ACK進行確認而已。

而讀操作的數據流向，就有所不同，如圖：

這時候，從設備除了發送ACK以外，緊跟著的還有數據。

我們用示波器來查看波形圖，以便于理解。

將示波器的X和Y分別接到SDA和SCL，得到波形并分析如圖:

I2C的概念原理網上都有就不說了，這里只把我把兩個開發板通過I2C通訊的調試經驗記錄分享一下。

I2C要求要有一個主設備，負責發起請求和控制時鐘；其它為從設備，通過設備ID地址來識別并響應主設備請求。主從設備要輪流控制SDA。一開始我沒搞明白這一點，直接加了寫I2C數據代碼，然后用示波器在SDA和SCL腳測量，卻只能找到些凌亂的波形，沒有預期的效果。后來把從設備接上，兩邊寫好代碼，互相有了響應，這才在示波器上看到波形。

這里我找了一個主設備往從設備寫數據的例子，代碼如下：

char buf[128];

int len;

strcpy(buf,"..huz_hello_i2c/n");

len=strlen(buf);

//deviceid: 0x3c

write_i2c(0x3c, buf , len);

接收端的代碼比較簡單，就不貼了。

將示波器的X和Y分別接到SDA和SCL，得到波形并分析如圖：

從圖中可知時序如下：

1. 由主機發起，在SCL為高電平時，SDA由高到低切變，形成開始信號；

2. 接著是7位地址和一位讀寫標志，這里7位地址為0111100，即0x3c，正是我們代碼中設置的地址ID；最后一位為0表示寫操作；

3. 接著在下一個時鐘，主機以高電平狀態釋放SDA，這時從機響應，將SDA拉低了；

4. 接著是兩個8位數據00101110與響應，即0x2E，正是“.”號的ASCII碼，符合預期輸出；

5. 還有其它數據和最后的停止位，圖中被截掉了。

從圖中可知，縱向一格是200mV，則SDA和SCL的電平大概就是350mV；由于信號筆上設置了信號x10，因此實際電平應該大概是3.5V（理論上應該是3.3V）。橫向一格是25us，10個時鐘周期大概用了4格，即4x25us=100us，平均每個時鐘周期是10us，可算出傳輸頻率為1/10us=100,000/s，即100k bps。

另外，對于讀從設備內容，基本流程是主設備先往從設備寫一個命令，然后再輸出讀取命令，然后才由從設備發送數據。過程類似，不再具體分析了。

下圖示例中，主機先向從機寫了一個地址命令，然后重新開始并進入讀取周期。

分析波形可檢測出I2C通信工作是否正常，是否符合預期，對我們編程調試診斷有輔助作用。