在Mcs-51單片機(jī)已經(jīng)被廣泛使用的時(shí)候，還沒有I2c協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。但今天，I2c已經(jīng)作為IC之間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換協(xié)議被廣泛采用。沒有I2c接口的Mcs-51單片機(jī)也常會涉及和標(biāo)準(zhǔn)I2c器件交換數(shù)據(jù)，所以Mcs-51模擬I2c接口的文章也常見諸報(bào)端。

　　最近，筆者為了設(shè)計(jì)一個(gè)基于I2c時(shí)鐘的電子打鈴器的方案，先進(jìn)行了一次MCS-51模擬I2c接口操作的實(shí)戰(zhàn)編程。原以為憑著手頭的各種資料，可以輕松完成，沒想到頗費(fèi)了一番周折，所以特將自己獲得的經(jīng)驗(yàn)作個(gè)小結(jié)。

　　1．FG器件的硬件結(jié)構(gòu)

　　I2c總線由sDA和scL兩條信號線組成，其中SDA為數(shù)據(jù)線，SCL為時(shí)鐘信號線。I2c總線上可以掛接SRAM、E2PROM、ADC／DAC、RTc、I／O口、DTMF、時(shí)鐘芯片、溫度芯片等有標(biāo)準(zhǔn)I2c接口的芯片，形成一個(gè)完備的數(shù)字化處理系統(tǒng)。上電時(shí)，sDA和SCL都由各自線上接的上拉電阻拉到高電平狀態(tài)。

　　從上圖可以看出，每一個(gè)I2c器件都有sDA出、sDA入、scL出、SCL入四個(gè)信號端口。當(dāng)某一掛接在同一I2c總線的器件scL輸出為低時(shí)，SCL總線就會被其拉為低。SDA總線情況也一樣。

　　然而，sDA人和scL人信號端口在器件內(nèi)部又是可控制的。

　　當(dāng)主機(jī)啟動I2C總線，并向I2c總線發(fā)送器件地址時(shí)，各個(gè)器件都會接收sDA入和SCL入信號，但只有本器件地址與接收到的器件地址信息一致的那個(gè)I2c器件才會繼續(xù)接收后續(xù)的信息，其他器件則會關(guān)閉輸入端口直至下一次主機(jī)啟動I2C總線。

　　2．I2C傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

　　I2c總線是一條異步串行通訊總線，主機(jī)可以隨時(shí)啟動I2c總線，并發(fā)送器件地址與相應(yīng)的從器件建立通訊聯(lián)系。每一時(shí)刻，只能有主機(jī)和一個(gè)從器件占用I2C總線。。I2C傳輸協(xié)議允許總線上接入同一I2c總線，在多主機(jī)的I2C總線系統(tǒng)中，通過多主競爭的協(xié)調(diào)管理確定在某一時(shí)刻唯一的主機(jī)，其他主機(jī)則被置于從器件位置等待主機(jī)發(fā)落。本文僅涉及MCS-5l單片機(jī)與I2c從器件的數(shù)據(jù)交換，所以只模擬單個(gè)主機(jī)操作I2c從器件的過程。

　　(1)IIC器件的器件地址和內(nèi)部地址

　　每一接入I2C總線的從器件都要有唯一的器件地址，器件地址是主機(jī)在啟動I2c總線后發(fā)送的第1個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)由三部分組成：四位固有的地址編碼(D7-D4)，三位引腳地址編碼(D3-D1)和一位讀／寫選擇位(1／0，Do)。

　　四位固有的地址編碼是I2c器件出廠前已固化在芯片內(nèi)的固定編碼，是不能改變的。比如E2PROM芯片24CXX(包括各公司生產(chǎn)的兼容芯片)的器件地址為1010，LED驅(qū)動器sAAl064的器件地址為0111，時(shí)鐘芯片PcF8563的器件地址為1010。三位引腳地址編碼可以根據(jù)器件芯片引腳A2、A1、AO接電源或接地(I／0)，形成編碼來確定同一總線上從器件芯片個(gè)體。24CXX芯片上都有A2、A1、A0引腳，但由于部分芯片內(nèi)部占用了地址編碼資源，所以部分芯片的A2、A1、A0引腳并不全有用，而是空腳。因此，一條總線上可掛接的芯片數(shù)量也不一樣，24C02可以掛接8片，每一片24C02的引腳A2、A1、A0分別置位為000-111，則主機(jī)發(fā)送不同的器件地址就能分別訪問到不同的24C02芯片。24C16則可看成8片24C02為一體，主機(jī)發(fā)送不同的器件地址則是訪問24c16內(nèi)部的不同區(qū)塊。

　　24C32以上的芯片由于其內(nèi)部地址編碼分兩字節(jié)，突破了地址編碼資源11位(3位器件地址+8位內(nèi)部地址)的限制，因此總線容量也獲得了擴(kuò)充。

　　器件芯片內(nèi)部都有一定量的數(shù)據(jù)存儲單元，這就要由內(nèi)部地址編碼(也稱子地址)來確定了。一般的I2c器件的內(nèi)部地址編碼為1個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(A7～AO)，可編址256字節(jié)。如果不夠就需要兩字節(jié)來表示：高字節(jié)(A15～A8)和低字節(jié)(A7-AO)。還不夠的話，還可以擴(kuò)充。可以看出I2C協(xié)議是有很強(qiáng)的生命力的。

　　(2)內(nèi)置地址計(jì)數(shù)器

　　為了方便對IIC器件內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元的讀寫操作，24Cxx芯片內(nèi)部還內(nèi)置了一個(gè)地址計(jì)數(shù)器。在讀寫一個(gè)字節(jié)完成后，地址計(jì)數(shù)器自動加1。這樣在第一字節(jié)讀寫完成后，第二次進(jìn)行讀寫時(shí)，地址計(jì)數(shù)器已經(jīng)指向下一個(gè)存儲單元。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送起始單元地址，然后可以連續(xù)讀取任意個(gè)字節(jié)，直到地址計(jì)數(shù)器達(dá)到最大值翻轉(zhuǎn)到0，進(jìn)行下一輪計(jì)數(shù)。例如24C16(內(nèi)部地址編碼范圍000H～7FFH)先發(fā)送起始單元地址005H，然后連續(xù)讀取7FFH個(gè)字節(jié)，則前7FAH個(gè)字節(jié)為005H～7FFH單元內(nèi)容，最后5個(gè)字節(jié)則是000H～004H單元內(nèi)容。

　　但是，進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)操作時(shí)，則地址計(jì)數(shù)器僅限于低三(或四、五、六)位。以24C01為例，當(dāng)它計(jì)數(shù)到1000B時(shí)，實(shí)際上并沒有發(fā)生進(jìn)位，而是又回到000B開始下一輪計(jì)數(shù)。所以，如果是單字節(jié)寫，可靠的方式是發(fā)送寫入數(shù)據(jù)前，都先發(fā)送欲寫入單元的地址編碼。如果是寫入連續(xù)的單元(也稱頁寫)，則先發(fā)送起始單元地址，然后發(fā)送要寫入的n個(gè)字節(jié)。24COI／02／04／08／16／32／64／128／256每次可連續(xù)寫入字節(jié)數(shù)分別為8／16／16／16／16／32／32／64／64個(gè)。但這是起始單元地址為0時(shí)的連續(xù)個(gè)數(shù)，如果起始單元地址不是0，則實(shí)際這些字節(jié)的存儲位置是不連續(xù)的。例如24C16(內(nèi)部地址編碼范圍000H～7FFH)先發(fā)送起始單元地址005H，然后連續(xù)寫入16個(gè)字節(jié)，則前11個(gè)字節(jié)寫入了005H～OOFH單元，最后5個(gè)字節(jié)被寫入了000H～004H單元。如果連續(xù)寫入17個(gè)字節(jié)，則005H單元所存的第1個(gè)字節(jié)內(nèi)容又被最后的第17個(gè)字節(jié)覆蓋，造成第1個(gè)字節(jié)內(nèi)容丟失。

　　這是頁寫方式讓人較難理解的地方。

　　(3)讀寫IIC器件的一般過程

　　每一次讀寫I2C器件前，主機(jī)都要先啟動。I2C總線，如圖2所示。在時(shí)鐘線scL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線sDA由高電平向低電平變化即啟動了I2c總線，一般稱此過程為起始信號s。接著，主機(jī)將向I2c總線發(fā)送第1個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)據(jù)——器件地址(包括最后一位“讀寫選擇位”)。如果被訪I2c器件確認(rèn)自己被選中，將在主機(jī)發(fā)出第9個(gè)scL時(shí)鐘信號時(shí)將SDA拉向低電平，形成一個(gè)應(yīng)答信號AcK。此時(shí)，主機(jī)將sDA置高電平，等待被訪I：c器件送回的應(yīng)答信號。收到應(yīng)答信號后，主機(jī)開始執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作。

　　一次讀寫完成后，主機(jī)發(fā)出終止信號P，所有I2C器件都將恢復(fù)sDA和scL為高電平的初始狀態(tài)，如下圖所示。在時(shí)鐘線SCIJ為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線sDA由低到高的電平變化即停止了I2c總線數(shù)據(jù)傳送。

　　根據(jù)器件地址最后一位“讀寫選擇位”的不同，可以分為讀和寫兩種情況。但如前所述，讀和寫在操作上還是有所不同的。下面分字節(jié)讀、順序讀、字節(jié)寫、頁寫四種情況分別敘述。

　　主機(jī)每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)，都有一個(gè)將sDA置高電平，等待被訪I2c器件送回的應(yīng)答信號過程，以下過程中將此省略，實(shí)際過程中是不可省略的，特作說明。同樣，主機(jī)接收完IIC器件發(fā)來的1字節(jié)數(shù)據(jù)后，也會向I2c器件發(fā)出一個(gè)信號，即到第9個(gè)scL時(shí)鐘時(shí)將SDA拉為低電平(相當(dāng)于第九位為0)，如下圖。

　　送出的1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)→發(fā)出終止信號P。

　　如果讀取前未發(fā)送子地址，則讀取的將是上一次讀寫完成后指向的下一字節(jié)內(nèi)容。這一點(diǎn)同樣適用于順序讀過程。需要注意的是，發(fā)送子地址前發(fā)送的器件地址末位應(yīng)為0，屬于寫操作，這是比較容易出錯(cuò)的。

　　順序讀先發(fā)送要讀取單元的子地址：發(fā)出起始信號s→發(fā)送器件地址(末位為0，寫操作)→發(fā)送子地址→發(fā)出終止信號P；再發(fā)送讀取命令：發(fā)出起始信號s→發(fā)送器件地址(末位為1，讀操作)一接收I2c器件送出的1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)一發(fā)出應(yīng)答信號ACK→重復(fù)接收和應(yīng)答信號直至讀取完所要讀取的字節(jié)→發(fā)出終止信號P。

　　讀取完所要讀取的字節(jié)后，可以在讀取最后一個(gè)字節(jié)的第9個(gè)SCL時(shí)鐘時(shí)將sDA置高電平(相當(dāng)于第九位為1，稱為反態(tài)應(yīng)答位)，等于明確告知I2c器件本次讀取已經(jīng)結(jié)束。

　　字節(jié)寫先發(fā)送子地址再發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)：發(fā)出起始信號s→發(fā)送器件地址(末位為O，寫操作)→發(fā)送子地址→發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)→發(fā)出終止信號P。

　　頁寫先發(fā)送起始子地址再連續(xù)發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)：發(fā)出起始信號S→發(fā)送器件地址(末位為0，寫操作)→發(fā)送起始子地址→發(fā)送要寫入第一個(gè)的數(shù)據(jù)→重復(fù)發(fā)送直至發(fā)送完所要連續(xù)寫入的字節(jié)(不同器件可連續(xù)寫入字節(jié)數(shù)有不同的限制)→發(fā)出終止信號P。

　　要寫入的字節(jié)超過器件可連續(xù)寫入字節(jié)數(shù)時(shí)，應(yīng)通過循環(huán)調(diào)用頁寫過程，逐批將要連續(xù)寫入的字節(jié)寫完。

　　3．MCS-51模擬I2C接口

　　理解了I2C傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，我們就可以使用Mcs一51單片機(jī)的兩根口線與I2c器件的SDA和scL引腳連接，用軟件模擬I2C傳輸協(xié)議對I2c器件進(jìn)行讀寫操作了。需要注意的是，I2C器件在Mcs-51系統(tǒng)中只能算比較快的設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)的傳送速率為最高不大于100kbps，SCL低電平時(shí)段應(yīng)保持4．7μs以上，高電平時(shí)段應(yīng)保持4．0μs以上。因此，程序中應(yīng)加入延時(shí)子程序，以滿足I2C器件的反應(yīng)速度。

　　為了讀者能更方便地開發(fā)和使用I2C，在本刊的網(wǎng)站(W3NW．eleworld．eom)上給出了Mcs-5l模擬I2c接口的標(biāo)準(zhǔn)完整程序，并編寫了一個(gè)配套的vB程序。通過RS232串口連接到MCS-5l串口，可以方便地在計(jì)算機(jī)上讀寫任何I2C器件。

以89C2051和24Cxx連接為例，如上圖方式連接，P1．7為scL線，P1．6為sDA線。89C2051的串口通過MAX232與計(jì)算機(jī)RS232串口三線連接。將模擬I2c接口的I2c 51．a(chǎn)sm文件編譯后，燒錄