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I2C总线协议(中文版).pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.83M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com I2C 总线规范 目录 1 序言 ........................................................................................................................ 3 1.1 版本 1.0-1992 .................................................................................................................... 3 1.2 版本 2.0-1998 .................................................................................................................... 3 1.3 版本 2.1-2000 .................................................................................................................... 3 1.4 购买 Philips 的 I2C 总线元件 .............................................................................................. 3 2 I2C 总线使设计人员和厂商都得益 .......................................................................... 3 2.1 设计人员的得益 ................................................................................................................. 4 2.2 厂商的得益......................................................................................................................... 5 3 介绍 I2C 总线规范................................................................................................... 6 4 I2C 总线的概念 ....................................................................................................... 6 5 总体特征 ................................................................................................................. 7 6 位传输..................................................................................................................... 7 6.1 数据的有效性..................................................................................................................... 7 6.2 起始和停止条件 ................................................................................................................. 8 7 传输数据 ................................................................................................................. 9 7.1 字节格式 ............................................................................................................................ 9 7.2 响应 ................................................................................................................................... 9 8 仲裁和时钟发生 .................................................................................................... 10 8.1 同步 ................................................................................................................................. 10 8.2 仲裁 ................................................................................................................................. 10 8.3 用时钟同步机制作为握手 ..................................................................................................11 9 7 位的地址格式..................................................................................................... 12 10 7 位寻址.............................................................................................................. 13 10.1 第一个字节的位定义 ...................................................................................................... 13 10.1.1 广播呼叫地址....................................................................................................... 14 10.1.2 起始字节.............................................................................................................. 15 10.1.3 CBUS 的兼容性 ................................................................................................... 16 11 标准模式 I2C 总线规范的扩展............................................................................. 16 12 快速模式............................................................................................................. 17 13 Hs 模式............................................................................................................... 17 13.1 高速传输 ........................................................................................................................ 17 13.2 Hs 模式的串行数据传输格式.......................................................................................... 19 13.3 从 F/S 模式切换到 Hs 模式以及返回 .............................................................................. 20 13.4 低速模式中的快速模式器件............................................................................................ 21 13.5 串行总线系统的混合速度模式........................................................................................ 21 13.5.1 在混合速度总线系统中的 F/S 模式传输 ............................................................... 22 13.5.2 在混合速度总线系统中的 Hs 模式传输................................................................. 22 13.5.3 混合速度总线系统中电桥的时序要求 ................................................................... 24 - 1 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 14 10 位寻址............................................................................................................ 24 14.1 头两个字节位的定义 ...................................................................................................... 24 14.2 10 位寻址的格式 ............................................................................................................ 24 14.3 广播呼叫地址和 10 位寻址的起始字节 ........................................................................... 26 15 I/O 级和总线线路的电气规范和时序................................................................... 26 15.1 标准和快速模式器件 ...................................................................................................... 26 15.2 Hs 模式器件................................................................................................................... 28 16 I2C 总线器件到总线线路的电气连接................................................................... 30 16.1 标准模式 I2C 总线器件电阻 Rp 和 RS 的最大和最小值 .................................................... 31 17 应用信息............................................................................................................. 33 17.1 快速模式 I2C 总线器件的斜率控制输出级....................................................................... 33 17.2 快速模式 I2C 总线器件的开关上拉电路 .......................................................................... 34 17.3 总线线路的配线方式 ...................................................................................................... 34 17.4 快速模式 I2C 总线器件电阻 Rp 和 RS 的最大和最小值 .................................................... 35 17.5 Hs 模式 I2C 总线器件的电阻 Rp 和 RS 的最大和最小值................................................... 35 18 F/S 模式 I2C 总线系统的双向电平转换器 ........................................................... 35 18.1 连接逻辑电平不同的器件 ............................................................................................... 36 18.1.1 电平转换器的操作................................................................................................ 36 19 Philips 提供的开发工具 ...................................................................................... 37 20 支持的文献 ......................................................................................................... 37 - 2 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 1 序言 1.1 版本 1.0-1992 1992 I2C 总线规范的这个版本有以下的修正 • 删除了用软件编程从机地址的内容 因为实现这个功能相当复杂 而且不被使用 • 删除了 低速模式 实际上这个模式是整个 I2C 总线规范的子集 不需要明确地详细说明 • 增加了快速模式 它将位速率增加 4 倍到达 400kbit/s 快速模式器件都向下兼容 即它们可以在 0~100kbit/s 的 I2C 总线系统中使用 • 增加了 10 位寻址 允许 1024 个额外的从机地址 • 快速模式器件的斜率控制和输入滤波改善了 EMC 性能 注意 100kbit/s 的 I2C 总线系统或 100kbit/s 器件都没有改变 1.2 版本 2.0-1998 I2C 总线实际上已经成为一个国际标准 在超过 100 种不同的 IC 上实现而且得到超过 50 家公司的许 可 但是 现在的很多应用要求总线速度更高 电源电压更低 这个更新版的 I2C 总线规范满足这些要求 而且有以下的修正 • 增加了高速模式 Hs 模式 它将位速率增加到 3.4Mbit/s Hs 模式的器件可以和 I2C 总线系统 中快速和标准模式器件混合使用 位速率从 0~3.4Mbit/s • 电源电压是 2V 或更低的器件的低输出电平和滞后被调整到符合噪声容限的要求 而且保持和电 源电压更高的器件兼容 • 快速模式输出级的 0.6V 6mA 要求被删除 • 新器件的固定输入电平被总线电压相关的电平代替 • 增加了双向电平转换器的应用信息 1.3 版本 2.1-2000 I2C 总线规范的 V2.1 版有以下微小的修改 • 在 Hs 模式的重复起始条件后 可以延长时钟信号 SCLH 见 13.2 节的图 22 25 和 32 • Hs 模式中的一些时序参数变得更随意 见表 6 和表 7 1.4 购买 Philips 的 I2C 总线元件 购买 Philips 的 I2C 元件同时传递了一个在 Philips 的 I2C 专利下在 I2C 系统使用元件使系统符合由 Philips 定义的 I2C 规范的许可证 2 I2C 总线使设计人员和厂商都得益 在消费者电子 电讯和工业电子中 看上去不相关的设计里经常有很多相似的地方 例如几乎每个系 统都包括 • 一些智能控制 通常是一个单片的微控制器 • 通用电路 例如 LCD 驱动器 远程 I/O 口 RAM EEPROM 或数据转换器 • 面向应用的电路 譬如收音机和视频系统的数字调谐和信号处理电路 或者是音频拨号电话的 DTMF 发生器 为了使这些相似之处对系统设计者和器件厂商都得益 而且使硬件效益最大电路最简单 Philips 开发 了一个简单的双向两线总线 实现有效的 IC 之间控制 这个总线就称为 Inter IC 或 I2C 总线 现在 Philips 包括超过 150 种 CMOS 和双极性兼容 I2C 总线的 IC 可以执行前面提到的三种类型的功能 所有符合 I2C 总线的器件组合了一个片上接口 使器件之间直接通过 I2C 总线通讯 这个设计概念解决了很多在设计数 字控制电路时遇到的接口问题 - 3 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 下面是 I2C 总线的一些特征 • 只要求两条总线线路 一条串行数据线 SDA 一条串行时钟线 SCL • 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机 从机关系软件设定地 址 主机可以作为主机发送器或主机接收器 • 它是一个真正的多主机总线 如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁 防止数据被破坏 • 串行的 8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达 100kbit/s 快速模式下可达 400kbit/s 高速 模式下可达 3.4Mbit/s • 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波 保证数据完整 • 连接到相同总线的 IC 数量只受到总线的最大电容 400pF 限制 图 1 是两个 I2C 总线应用的例子 2.1 设计人员的得益 符合 I2C 总线的 IC 允许系统设计快速向前推进 直接从功能结构图到原型 此外 由于它们直接 剪 贴 到 I2C 总线 没有任何额外的外部接口 所以允许简单地通过从或者向总线 剪贴 或 不剪贴 IC 来修改或升级原型系统 符合 I2C 总线的 IC 还有一些功能特别吸引设计人员 • 结构图的功能模块与实际的 IC 对应 设计快速从结构图向最后的原理图推进 • 不需要设计总线接口 因为 I2C 总线接口已经集成在片上 • 集成的寻址和数据传输协议允许系统完全由软件定义 • 相同类型的 IC 经常用于很多不同的应用 • 由于设计人员快速熟悉了用兼容 I2C 总线的 IC 表示经常使用的功能模块 使设计时间减少 • 在系统中增加或删除 IC 不会影响总线的其他电路 • 故障诊断和调试都很简单 故障可被立即寻迹 • 通过聚集一个可再使用的软件模块的库减少软件开发时间 除了这些优点外 符合 I2C 总线的 CMOS IC 还向设计者在特别吸引的可移植装置和电池供电系统方 面提供了特殊的功能 它们都有 • 极低的电流消耗 • 抗高噪声干扰 • 电源电压范围宽 • 工作的温度范围广 - 4 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com MICRO- CONTROLLER PCB83C528 NON-VOLATILE MEMORY PCF8582E STEREO / DUAL SOUND DECODER TDA9840 HI-FI AUDIO PROCESSOR TDA9860 SINGLE-CHIP TEXT SAA52XX SDA SCL PLL SYNTHESIZER TSA5512 M/S COLOUR DECODER TDA9160A SDA SCL PICTURE SIGNAL IMPROVEMENT DTMF GENERATOR TDA4670 PCD3311 VIDEO PROCESSOR ADPCM TDA4685 PCD5032 ON-SCREEN DISPLAY MICRO- CONTROLLER PCA8510 P80CLXXX LINE INTERFACE PCA1070 BURST MODE CONTROLLER PCD5042 图 1 I2C 应用的两个例子 a 高性能的高度集成电视 b DECT 无绳电话基站 (a) (b) 2.2 厂商的得益 符合 I2C 总线的 IC 不只帮助了设计者 它们也使设备厂商得到很多益处 因为 • 简单的两线串行 I2C 总线将互联减到最小 因此 IC 的管脚更少而且 PCB 的线路也减少 结果使 PCB 更小和更便宜 I2C 总线的多主机功能允许通过外部连接到生产线快速测试和调整最终用户的设备 • 完全完整的 I2C 总线协议不需要地址译码器和其他 胶合逻辑 • • 符合 I2C 总线的 IC 提供 SO 小型 VSO 超小型 以及 DIL 封装 甚至减少了 IC 的空间要求 这些只是一些益处 另外 兼容 I2C 总线的 IC 通过允许简单地构造设备变量和保持设计是最新的简易 升级功能增加了系统设计的灵活性 这样整个装置系列可以围绕一个基本的模型开发 新设备的升级或者 功能增强的模型 即 扩展的存储器 远程控制等等 可以简单地通过剪贴相应的 IC 到总线上产生 如果 需要更大的 ROM 只需要从我们广泛的 IC 中选择一个有更大 ROM 的微控制器就可以了 由于新的 IC 要 - 5 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com 取代旧的 增加新功能到装置或者提升它的性能只要简单地从总线上移去过时的 IC 然后换上它的后续 IC 就可以了 3 介绍 I2C 总线规范 对于面向 8 位的数字控制应用 譬如那些要求用微控制器的 要建立一些设计标准 • 一个完整的系统通常由至少一个微控制器和其他外围器件例如存储器和 I/O 扩展器组成 • 系统中不同器件的连接成本必须最小 • 执行控制功能的系统不要求高速的数据传输 • 总的效益由选择的器件和互连总线结构的种类决定 产生一个满足这些标准的系统需要一个串行的总线结构 尽管串行总线没有并行总线的数据吞吐能力 但它们只要很少的配线和 IC 连接管脚 然而 总线不仅仅是互连的线 还包含系统通讯的所有格式和过程 串行总线的器件间通讯必须有某种形式的协议避免所有混乱 数据丢失和妨碍信息的可能性 快速器 件必须可以和慢速器件通讯 系统必须不能基于所连接的器件 否则不可能进行修改或改进 应当设计一 个过程决定哪些器件何时可以控制总线 而且 如果有不同时钟速度的器件连接到总线 必须定义总线的 时钟源 所有这些标准都在 I2C 总线的规范中 4 I2C 总线的概念 I2C 总线支持任何 IC 生产过程 NMOS CMOS 双极性 两线――串行数据 SDA 和串行时钟 SCL 线在连接到总线的器件间传递信息 每个器件都有一个唯一的地址识别 无论是微控制器 LCD 驱动器 存储器或键盘接口 而且都可以作为一个发送器或接收器 由器件的功能决定 很明显 LCD 驱动器只是一个接收器 而存储器则既可以接收又可以发送数据 除了发送器和接收器外 器件在执行数 据传输时也可以被看作是主机或从机 见表 1 主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号 的器件 此时 任何被寻址的器件都被认为是从机 表 1 I2C 总线术语的定义 术语 发送器 接收器 主机 从机 多主机 仲裁 描述 发送数据到总线的器件 从总线接收数据的器件 初始化发送 产生时钟信号和终止发送的器件 被主机寻址的器件 同时有多于一个主机尝试控制总线 但不破坏报文 是一个在有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报文不被破坏 的过程 两个或多个器件同步时钟信号的过程 同步 I2C 总线是一个多主机的总线 这就是说可以连接多于一个能控制总线的器件到总线 由于主机通常是 微控制器 让我们考虑以下数据在两个连接到 I2C 总线的微控制器之间传输的情况 见图 2 这突出了 I2C 总线的主机 从机和接收器 发送器的关系 应当注意的是 这些关系不是持久的 只 由当时数据传输的方向决定 传输数据的过程如下 1 假设微控制器 A 要发送信息到微控制器 B • 微控制器 A 主机 寻址微控制器 B 从机 • 微控制器 A 主机 发送器 发送数据到微控制器 B 从机 接收器 • 微控制器 A 终止传输 2 如果微控制器 A 想从微控制器 B 接收信息 • 微控制器 A 主机 寻址微控制器 B 从机 - 6 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com • 微控制器 A 主机 接收器 从微控制器 B 从机 发送器 接收数据 • 微控制器 A 终止传输 甚至在这种情况下 主机 微控制器 A 也产生定时而且终止传输 连接多于一个微控制器到 I2C 总线的可能性意味着超过一个主机可以同时尝试初始化传输数据 为了 避免由此产生混乱 发展出一个仲裁过程 它依靠线与连接所有 I2C 总线接口到 I2C 总线 如果两个或多个主机尝试发送信息到总线 在其他主机都产生 0 的情况下 首先产生一个 1 的 主机将丢失仲裁 仲裁时的时钟信号是用线与连接到 SCL 线的主机产生的时钟的同步结合 关于仲裁的更 详细信息请参考第 8 章 SDA SCL MICRO - CONTROLLER A LCD DRIVER STATIC RAM OR EEPROM GATE ARRAY ADC MICRO - CONTROLLER B 图 2 使用两个微控制器的 I2C 总线配置举例 在 I2C 总线上产生时钟信号通常是主机器件的责任 当在总线上传输数据时 每个主机产生自己的时 钟信号 主机发出的总线时钟信号只有在以下的情况才能被改变 慢速的从机器件控制时钟线并延长时钟 信号 或者在发生仲裁时被另一个主机改变 5 总体特征 SDA 和 SCL 都是双向线路 都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压 见图 3 当总线空 闲时 这两条线路都是高电平 连接到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行线与的功 能 I2C 总线上数据的传输速率在标准模式下可达 100kbit/s 在快速模式下可达 400kbit/s 在高速模式下 可达 3.4Mbit/s 连接到总线的接口数量只由总线电容是 400pF 的限制决定 关于高速模式主机器件的信息 请参考第 13 章 6 位传输 由于连接到 I2C 总线的器件有不同种类的工艺 CMOS NMOS 双极性 逻辑 0 低 和 1 高 的电平不是固定的 它由 VDD 的相关电平决定 见第 15 章的电气规范 每传输一个数据位就产生 一个时钟脉冲 6.1 数据的有效性 SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定 数据线的高或低电平状态只有在 SCL 线的时钟 信号是低电平时才能改变 见图 4 - 7 -
    广州周立功单片机发展有限公司 Tel: (020)38730976 38730977 Fax:38730925 http://www.zlgmcu.com pull-up resistors Rp Rp VDD SDA (Serial Data Line) SCL (Serial Clock Line) SCLK SCLK SCLKN1 OUT DATAN1 OUT SCLKN2 OUT DATAN2 OUT SCLK IN DATA IN SCLK IN DATA IN DEVICE 1 DEVICE 2 图 3 标准模式器件和快速模式器件连接到 I2C 总线 SDA SCL data line stable; data valid change of data allowed 图 4 I2C 总线的位传输 6.2 起始和停止条件 在 I2C 总线中 唯一出现的是被定义为起始 S 和停止 P 条件 见图 5 的情况 其中一种情况是在 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换 这个情况表示起始条件 当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换表示停止条件 起始和停止条件一般由主机产生 总线在起始条件后被认为处于忙的状态 在停止条件的某段时间后 总线被认为再次处于空闲状态 总线的空闲状态将在第 15 章详细说明 如果产生重复起始 Sr 条件而不产生停止条件 总线会一直处于忙的状态 此时的起始条件 S 和重复起始 Sr 条件在功能上是一样的 见图 10 因此在本文档的剩余部分 符号 S 将作为一个通用 的术语既表示起始条件又表示重复起始条件 除非有特别声明的 Sr 如果连接到总线的器件合并了必要的接口硬件 那么用它们检测起始和停止条件十分简便 但是 没 有这种接口的微控制器在每个时钟周期至少要采样 SDA 线两次来判别有没有发生电平切换 SDA SCL S START condition SDA SCL P STOP condition 图 5 起始和停止条件 - 8 -
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