I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它通過SDA(串行數據線)及SCL(串行時鐘線)兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據地址識別每個器件：不管是單片機、存儲器、LCD驅動器還是鍵盤接口。

1.I2C總線的基本結構　采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內部不僅有I2C接口電路，而且將內部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現片選，減少了器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對該單元的工作狀況進行檢測，從而實現對硬件系統(tǒng)的既簡單又靈活的擴展與控制。I2C總線接口電路結構如圖1所示。

 

2.雙向傳輸的接口特性　傳統(tǒng)的單片機串行接口的發(fā)送和接收一般都各用一條線，如MCS51系列的TXD和RXD，而I2C總線則根據器件的功能通過軟件程序使其可工作于發(fā)送或接收方式。當某個器件向總線上發(fā)送信息時，它就是發(fā)送器(也叫主器件)，而當其從總線上接收信息時，又成為接收器(也叫從器件)。主器件用于啟動總線上傳送數據并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。I2C總線的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數據決定。在總線上，既沒有中心機，也沒有優(yōu)先機。

總線上主和從(即發(fā)送和接收)的關系不是一成不變的，而是取決于此時數據傳送的方向。SDA和SCL均為雙向I/O線，通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出級必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能。I2C總線的數據傳送速率在標準工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達400kbit/s。

3.I2C總線上的時鐘信號　在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL時鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個器件的時鐘信號下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時，低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)，于是這些器件將進入高電平等待的狀態(tài)。

當所有器件的時鐘信號都上跳為高電平時，低電平期結束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產生一個同步時鐘。可見，時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時鐘高電平期最短的器件確定。

4.數據的傳送　在數據傳送過程中，必須確認數據傳送的開始和結束。在I2C總線技術規(guī)范中，開始和結束信號(也稱啟動和停止信號)的定義如圖2所示。當時鐘線SCL為高電平時，數據線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號;當SCL線為高電平時，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)?ldquo;結束”信號。開始和結束信號都是由主器件產生。在開始信號以后，總線即被認為處于忙狀態(tài);在結束信號以后的一段時間內，總線被認為是空閑的。

 

I2C總線的數據傳送格式是：在I2C總線開始信號后，送出的第一個字節(jié)數據是用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位(R/W)。方向位為“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫到所選擇的從器件;方向位為“1”表示主器件將從從器件讀信息。開始信號后，系統(tǒng)中的各個器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即為被主器件尋址的器件，其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(R/W)確定。

在I2C總線上每次傳送的數據字節(jié)數不限，但每一個字節(jié)必須為8位，而且每個傳送的字節(jié)后面必須跟一個認可位(第9位)，也叫應答位(ACK)。數據的傳送過程如圖3所示。每次都是先傳最高位，通常從器件在接收到每個字節(jié)后都會作出響應，即釋放SCL線返回高電平，準備接收下一個數據字節(jié)，主器件可繼續(xù)傳送。如果從器件正在處理一個實時事件而不能接收數據時，(例如正在處理一個內部中斷，在這個中斷處理完之前就不能接收I2C總線上的數據字節(jié))可以使時鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平，此時主器件產生1個結束信號，使傳送異常結束，迫使主器件處于等待狀態(tài)。當從器件處理完畢時將釋放SCL線，主器件繼續(xù)傳送。

 

當主器件發(fā)送完一個字節(jié)的數據后，接著發(fā)出對應于SCL線上的一個時鐘(ACK)認可位，在此時鐘內主器件釋放SDA線，一個字節(jié)傳送結束，而從器件的響應信號將SDA線拉成低電平，使SDA在該時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。從器件的響應信號結束后，SDA線返回高電平，進入下一個傳送周期。

I2C總線還具有廣播呼叫地址用于尋址總線上所有器件的功能。若一個器件不需要廣播呼叫尋址中所提供的任何數據，則可以忽略該地址不作響應。如果該器件需要廣播呼叫尋址中提供的數據，則應對地址作出響應，其表現為一個接收器。

5.總線競爭的仲裁　總線上可能掛接有多個器件，有時會發(fā)生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況。例如，多單片機系統(tǒng)中，可能在某一時刻有兩個單片機要同時向總線發(fā)送數據，這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對發(fā)生在SDA線上的總線競爭進行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發(fā)送高電平，而另一個主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級?？偩€競爭的仲裁是在兩個層次上進行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從器件，則進入數據位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的丟失。

6. I2C總線接口器件　目前在視頻處理、移動通信等領域采用I2C總線接口器件已經比較普遍。另外，通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的單片機、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驅動器等器件，也越來越多地應用于計算機及自動控制系統(tǒng)中。

AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是內含256×8位存儲空間，具有工作電壓寬(2.5～5.5V)、擦寫次數多(大于10000次)、寫入速度快(小于10ms)等特點。下面是它的電路圖。

 

圖中AT24C02的1、2、3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在AT89C51試驗開發(fā)板上它們都接地，第8腳和第4腳分別為正、負電源。第5腳SDA為串行數據輸入/輸出，數據通過這條雙向I2C總線串行傳送，在AT89C51試驗開發(fā)板上和單片機的P3.5連接。第6腳SCL為串行時鐘輸入線，在AT89C51試驗開發(fā)板上和單片機的P3.6連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個5.1K的電阻上拉。第7腳需要接地。

24C02中帶有片內地址寄存器。每寫入或讀出一個數據字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實現對下一個存儲單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時間，一次操作可寫入多達8個字節(jié)的數據。

;這是將0600H地址中以下的8個數據寫到24C02的01H為首址單元中去的匯編程序

ORG 0000H

SCL BIT P3.4;定義24C02的串行時鐘線

SDA BIT P3.5;定義24C02的串行數據線

LJMP START

START:LCALL STAR;調用

MOV R2,#08H;一個數據有8位

MOV DPTR,#0600H;定義源數據的位置

LOOP:MOV A,#00H

MOVC A,@A+DPTR

LCALL SDATA

LCALL ACK

JC LOOP

INC DPTR

DJNZ R2,LOOP

LCALL STOP;調用停止子程序

STAR:SETB SDA

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

CLR SDA

NOP

NOP

NOP

NOP

CLR SCL

RET

SDATA:MOV R0,#08H

LOOP0:RLC A

MOV SDA,C

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

CLR SCL

DJNZ R0,LOOP0

RET

ACK:SETB SDA

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

MOV C,SDA

CLR SCL

RET

STOP:CLR SDA

NOP

NOP

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

SETB SDA

NOP

NOP

NOP

NOP

RET

ORG 0600H

DB 0A0H,10H,01H,02H,03H,04H,05H,06H

END

讀寫子程序如下：

;寫串行E2PROM子程序EEPW

; R3=10100000(命令1010+器件3位地址+讀/寫。 器件地址一個芯片，是000)

; (R4)=片內字節(jié)地址

; (R1)=欲寫數據存放地址指針

; (R7)=連續(xù)寫字節(jié)數n

EEPW: MOV　P1,#0FFH

CLR　　P1.0　　;發(fā)開始信號

MOV　　A,R3　　;送器件地址

ACALL　 SUBS

MOV　　A,R4　　;送片內字節(jié)地址

ACALL　SUBS

AGAIN: MOV　A,@R1

ACALL SUBS　;調發(fā)送單字節(jié)子程序INC　 　R1

DJNZ　　R7,AGAIN;連續(xù)寫n個字節(jié)

CLR 　 　P1.0　　;SDA置0, 準備送停止信號

ACALL　DELAY ;延時以滿足傳輸速率要求

SETB 　 P1.1　 ;發(fā)停止信號

ACALL　DELAY

SETB 　 P1.0

RET

SUBS: MOV　R0,#08H ;發(fā)送單字節(jié)子程序

LOOP: CLR　P1.1

RLC　　A

MOV　　P1.0,C

NOP

SETB　P1.1

ACALL DELAY

DJNZ　R0,LOOP ;循環(huán)8次送8個bit

CLR　　P1.1

ACALL DELAY

SETB　P1.1

REP: MOV　C,P1.0

JC　　REP　　;判應答到否，未到則等待

CLR　 P1.1

RET

DELAY: NOP

NOP

RET

;讀串行E2PROM子程序EEPR

;(R1)=欲讀數據存放地址指針

;; R3=10100001(命令1010+器件3位地址+讀/寫。 器件地址一個芯片，是000)

;(R4)=片內字節(jié)地址

;(R7)=連續(xù)讀字節(jié)數

EEPR: MOV　P1,#0FFH

CLR　　P1.0　　;發(fā)開始信號

MOV　　A,R3　　;送器件地址

ACALL SUBS　　 ;調發(fā)送單字節(jié)子程序

MOV　A,R4　　　;送片內字節(jié)地址

ACALL SUBS

MOV　P1,#0FFH

CLR　P1.0　　　;再發(fā)開始信號

MOV　A,R3

SETB　ACC.0　　;發(fā)讀命令

ACALL SUBS

MORE: ACALL SUBR

MOV　@R1,A

INC　R1

DJNZ R7,MORE

CLR　P1.0

ACALL DELAY

SETB P1.1

ACALL DELAY

SETB　P1.0 ;送停止信號

RET

SUBR: MOV　 R0,#08H ;接受單字節(jié)子程序

LOOP2: SETB　 P1.1

ACALL DELAY

MOV　C,P1.0

RLC　A

CLR　P1.1

ACALL DELAY

DJNZ R0,LOOP2

CJNE R7,#01H,LOW

SETB P1.0　　;若是最后一個字節(jié)置A=1

AJMP SETOK

LOW: CLR　P1.0　　;否則置A=0

SETOK: ACALL DELAY

SETB　 P1.1

ACALL DELAY

CLR　　P1.1

ACALL DELAY

SETB　P1.0　　;應答畢,SDA置1

RET

程序中多處調用了DELAY子程序(僅兩條NOP指令)，這是為了滿足I2C總線上數據傳送速率的要求，只有當SDA數據線上的數據穩(wěn)定下來之后才能進行讀寫(即SCL線發(fā)出正脈沖)。另外，在讀最后一數據字節(jié)時，置應答信號為“1”，表示讀操作即將完成。