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I2C基礎知識入門簡單介紹

GReq_mcu168 ? 來源:玩轉單片機 ? 作者:玩轉單片機 ? 2020-12-02 14:29 ? 次閱讀

廢話

I2C其實肝的我挺難受的,通訊協議這種規范往往可以摳出很多的細節,看了波叔的文章《萬變不離其宗之I2C總線要點總結》,很詳細。我打賭我還不會I2C,因為涉及到很多技術細節,在實際項目中往往是會被忽略的問題,于是結合自己以前的項目經驗,簡單再總結一下I2C,由于認知偏差,寫完之后,長吁一口氣,感覺自己好像懂了。

目錄

背景

硬件層

數據傳輸協議

實際上如何工作?

單個主設備連接多個從機

多個主設備連接多個從機

總結

背景

I2C(Inter-Integrated Circuit),中文應該叫集成電路總線,它是一種串行通信總線,使用多主從架構,是由飛利浦公司在1980年代初設計的,方便了主板、嵌入式系統手機與周邊設備組件之間的通訊。由于其簡單性,它被廣泛用于微控制器傳感器陣列,顯示器,IoT設備,EEPROM等之間的通信。

I2C最重要的功能包括:

只需要兩條總線;

沒有嚴格的波特率要求,例如使用RS232,主設備生成總線時鐘;

所有組件之間都存在簡單的主/從關系,連接到總線的每個設備均可通過唯一地址進行軟件尋址;

I2C是真正的多主設備總線,可提供仲裁和沖突檢測

傳輸速度;

標準模式:Standard Mode=100Kbps

快速模式:Fast Mode=400Kbps

高速模式:High speed mode=3.4 Mbps

超快速模式:Ultra fast mode=5 Mbps

最大主設備數:無限制;

最大從機數:理論上是127;

以上是I2C的一些重要特點,下面會進一步對I2C進行介紹。

硬件層

I2C協議僅需要一個SDA和SCL引腳。SDA是串行數據線的縮寫,而SCL是串行時鐘線的縮寫。這兩條數據線需要接上拉電阻

設備間的連接如下所示:

使用I2C,可以將多個從機(Slave)連接到單個主設備(Master),并且還可以有多個主設備(Master)控制一個或多個從機(Slave)。

假如希望有多個微控制器(MCU)將數據記錄到單個存儲卡或將文本顯示到單個LCD時,這個功能就非常有用。

I2C總線(SDA,SCL)內部都使用漏極開路驅動器(開漏驅動),因此SDA和SCL可以被拉低為低電平,但是不能被驅動為高電平,所以每條線上都要使用一個上拉電阻,默認情況下將其保持在高電平;

上拉電阻的值取決于許多因素。德州儀器TI 建議 使用以下公式來計算正確的上拉電阻值:

其中是邏輯低電壓;

是邏輯低電流

信號的最大上升時間;

是總線(電線)電容

具體如下所示:

根據上表,這里不難發現需要在做電阻選擇需要滿足幾個條件;

灌電流 最大值為;

另外I2C總線規范和用戶手冊還為低電平輸出電壓設置了最大值為0.4V

所以根據上述公式可以計算,對于5V的電源,每個上拉電阻阻值至少1.53kΩ,而對于3.3V的電源,每個電阻阻值至少967Ω。

如果覺得計算電阻值比較麻煩,也可以使用典型值 4.7kΩ。

上述推導過程可以參考 TI的文檔《I2C Bus Pullup Resistor Calculation》 https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf

最終在調試的時候,當我們測量SDA或SCL信號并且邏輯LOW上的電壓高于0.4V時,我們就知道可以知道灌電流太高了;

當然,這并不意味著每當灌電流超過3mA時,設備就會立即停止工作。但是,在操作超出其規格的設備時,應始終小心,因為它可能導致通信故障,縮短其使用壽命甚至甚至永久損壞設備。

數據傳輸協議

主設備和從設備進行數據傳輸時遵循以下協議格式。數據通過一條SDA數據線在主設備和從設備之間傳輸0和1的串行數據。串行數據序列的結構可以分為,開始條件,地址位,讀寫位,應答位,數據位,停止條件,具體如下所示;

開始條件

當主設備決定開始通訊時,需要發送開始信號,需要執行以下動作;

先將SDA線從高壓電平切換到低壓電平;

然后將SCL從高電平切換到低電平;

在主設備發送開始條件信號之后,所有從機即使處于睡眠模式也將變為活動狀態,并等待接收地址位。

具體如下圖所示;

地址位

通常地址位占7位數據,主設備如果需要向從機發送/接收數據,首先要發送對應從機的地址,然后會匹配總線上掛載的從機的地址;

I2C還支持10位尋址;

讀寫位

該位指定數據傳輸的方向;

如果主設備需要將數據發送到從設備,則該位設置為0;

如果主設備需要往從設備接收數據,則將其設置為1。

ACK / NACK

主機每次發送完數據之后會等待從設備的應答信號ACK;

在第9個時鐘信號,如果從設備發送應答信號ACK,則SDA會被拉低;

若沒有應答信號NACK,則SDA會輸出為高電平,這過程會引起主設備發生重啟或者停止;

數據塊

傳輸的數據總共有8位,由發送方設置,它需要將數據位傳輸到接收方。

發送之后會緊跟一個ACK/NACK位,如果接收器成功接收到數據,則設置為0。否則,它保持邏輯“ 1”。

重復發送,直到數據完全傳輸為止。

停止條件

當主設備決定結束通訊時,需要發送開始信號,需要執行以下動作;

先將SDA線從低電壓電平切換到高電壓電平;

再將SCL線從高電平拉到低電平;

具體如下圖所示;

實際上如何工作?

第一步:起始條件

主設備通過將SDA線從高電平切換到低電平,再將SCL線從高電平切換到低電平,來向每個連接的從機發送啟動條件 :

第二步:發送從設備地址

主設備向每個從機發送要與之通信的從機的7位或10位地址,以及相應的讀/寫位;

第三步:接收應答

每個從設備將主設備發送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配,則從設備通過將SDA線拉低一位以表示返回一個ACK位;

如果來自主設備的地址與從機自身的地址不匹配,則從設備將SDA線拉高,表示返回一個NACK位;

第四步:收發數據

主設備發送或接收數據到從設備;

第五步:接收應答

在傳輸完每個數據幀后,接收設備將另一個ACK位返回給發送方,以確認已成功接收到該幀:

第六步:停止通信

為了停止數據傳輸,主設備將SCL切換為高電平,然后再將SDA切換為高電平,從而向從機發送停止條件;

單個主設備連接多個從機

I2C總線上的主設備使用7位地址對從設備進行尋址,可以使用128()個從機地址。

請使用4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc;

多個主設備連接多個從機

多個主設備可以連接到一個或多個從機;

當兩個主設備試圖通過SDA線路同時發送或接收數據時,同一系統中的多個主設備就會出現問題。

為了解決這個問題,每個主設備都需要在發送消息之前檢測SDA線是低電平還是高電平;

如果SDA線為低電平,則意味著另一個主設備可以控制總線,并且主設備應等待發送消息。

如果SDA線為高電平,則可以安全地發送消息。

要將多個主設備連接到多個從機,請使用下圖,其中4.7K上拉電阻將SDA和SCL線連接到Vcc:

總結

本文主要介紹I2C的入門基礎知識,從I2C協議的硬件層,協議層進行了簡單介紹;作者能力有限,難免存在錯誤和紕漏,請大佬不吝賜教。

責任編輯:xj

原文標題:I2C基礎知識入門

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原文標題:I2C基礎知識入門

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