IIC总线协议及ADC PCF8951

1、I2C串行总线的组成及工作原理串行总线的组成及工作原理结合结合AD/DA芯片芯片PCF8591与与AT24C02I2C串行总线的组成及工作原理串行总线的组成及工作原理 采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。同时，系统的更改和扩充极为容的体积减小、可靠性提高。同时，系统的更改和扩充极为容易。易。 常用的串行扩展总线有：常用的串行扩展总线有： I2C （Inter IC BUS）总线，）总线， 如如PCF8591，AT24C02单总线单总线（1WIRE BUS）, 如温度传感器如温度传感器18B20SPI（Ser

2、ial Peripheral Interface）总线）总线, 如串行口如串行口Microwire/PLUS等。等。 本课仅讨论本课仅讨论I2C串行总线。串行总线。I2C串行总线概述串行总线概述 I2C总线是总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。性能串行总线。 I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另，另一根是时钟线一根是时钟线SCL。 I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线通过上拉电阻接正

3、电源。当总线空闲总线空闲时，两根线均时，两根线均为为高电平高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的线的信号变低，即各器件的SDA及及SCL都是线都是线“与与”关系关系。 每个接到每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器上接收数据的器件则为接收器。 在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启在多主机系

4、统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱，动总线传送数据。为了避免混乱， I2C总线要通总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。 在在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中，单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以我们经常遇到的是以80C51单片机为主机，其它单片机为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。接口器件为从机的单主机情况。 一、数据位的有效性规定一、数据位的有效性规定 I2C总线进行数据传送时，总线进行数据传送时，时钟信号为时钟信号为高电平期间高电平期间，数据数据线上的数据必须保持稳定线上的数据必须保持稳定

5、，只有在，只有在时钟线上的信号为时钟线上的信号为低电低电平期间平期间，数据线上的高电平或低电平状态才，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化允许变化。8.1.2 8.1.2 I2C总线的数据传送总线的数据传送二、起始和终止信号二、起始和终止信号 SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由高电平向低电线由高电平向低电平的变化表示起始信号；平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。线由低电平向高电平的变化表示终止信号。 起始和终止信号都是由主机发出的，起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，在起始信号产生后，总线就处于被

6、占用的状态总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处在终止信号产生后，总线就处于空闲状态于空闲状态。 连接到连接到I2C总线上的器件，若具有总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。很容易检测到起始和终止信号。 接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时下一个字节，这时接收器件可以将接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而线拉成低电平，从而使主机处于等待状态使主机处于等

7、待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。进行。 三、数据传送格式三、数据传送格式（1）字节传送与应答）字节传送与应答 每一个字节必须保证是每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传位长度。数据传送时，先传送最高位（送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有随一位应答位（即一帧共有9位）。位）。 由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机

8、正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。以结束总线的数据传送。 如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的第一个数据字节的“非应答非应答”通知主机，主机则应发出终通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。止信号以结束数据的继续传送。 当主

9、机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答非应答”来实现的。然后，从机释放来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主线，以允许主机产生终止信号。机产生终止信号。（2）数据帧格式）数据帧格式 I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。信号，又包括真正的数据信号。 在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：组合方式： 在

10、起始信号后必须传送一个从机的地址（在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），位），第第8位是数据的传送方向位（位是数据的传送方向位（R/T），用），用“0”表示主表示主机发送数据（机发送数据（T），），“1”表示主机接收数据（表示主机接收数据（R）。）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。另一从机进行寻址。 a、主机向从机发送数据，数据传送方向在整、

11、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：个传送过程中不变：注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。表示数据由从机向主机传送。 A表示应答，表示应答， A非表示非应答（高电平）。非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，表示起始信号，P表示终止信号。表示终止信号。b、主机在第一个字节后，立即从从机读数据、主机在第一个字节后，立即从从机读数据c、在传送过程中，当需要改变传送方向时，、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次

12、读两次读/写方向位正好反相。写方向位正好反相。四、总线的寻址四、总线的寻址 I2C总线协议有明确的规定：采用总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。 （1）寻址字节的位定义）寻址字节的位定义 D7D1位组成从机的地址。位组成从机的地址。D0位是数据位是数据传送方向位，为传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数时表示主机向从机写数据，为据，为“1”时表示主机由从机读数据。时表示主机由从机读数据。主机发送地址主机发送地址时，总线上的每个从机都将这时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同

13、，位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己位将自己确定为发送器或接收器确定为发送器或接收器。从机的地址从机的地址由固定部分和可编程部分组成。由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的器件的最大数目。如一个从机的7位寻址位有位寻址位有4位是固定位，位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻位是可编程位，这时仅能寻址址8个同样的器件，即可以有个同样的器件，即可以

14、有8个同样的器件个同样的器件接入到该接入到该I2C总线系统中总线系统中。8.2 80C51单片机单片机I2C串行总线器件的接口串行总线器件的接口一、典型信号模拟一、典型信号模拟 为了保证数据传送的可靠性，标准的为了保证数据传送的可靠性，标准的I2C总线的数总线的数据传送有严格的时序要求。据传送有严格的时序要求。I2C总线的起始信号、终总线的起始信号、终止信号、发送止信号、发送“0”及发送及发送“1”的模拟时序的模拟时序 ： 8.2.1 8.2.1 总线数据传送的模拟总线数据传送的模拟 主机可以采用不带主机可以采用不带I2C总线接口的单片机，如总线接口的单片机，如80C51、AT89C2051等

15、单片机，利用软件实现等单片机，利用软件实现I2C总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。 下面讲基于IIC的集AD与DA一体的 PCF8591PCF8591 单电源供电单电源供电 工作电压：工作电压：2.5 V 6 V 待机电流低待机电流低 I2C总线串行输入总线串行输入/输出输出 通过通过3个硬件地址引脚编址个硬件地址引脚编址 采样速率取决于采样速率取决于I2C总线速度总线速度 4个模拟输入可编程为单端或差分输入个模拟输入可编程为单端或差分输入 自动增量通道选择自动增量通道选择 模拟电压范围：模拟电压范围：VSSVDD 片上跟踪与保持电路片上跟

16、踪与保持电路 8位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换转换 带一个模拟输出的乘法带一个模拟输出的乘法DAC 1、概述、概述3、引脚图、引脚图 AIN0AIN3：模拟信号输入端。：模拟信号输入端。 A0A3：引脚地址端。：引脚地址端。 VDD、VSS：电源端。（：电源端。（2.56V） SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线。总线的数据线、时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时钟时 EXT 接地。接地。 AGND：模拟信号地。：模拟信号地。 PCF8591 PCF859

17、1是单片、单电源低功是单片、单电源低功耗耗8位位CMOS数据采集器件，具有数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。总线接口。3个地址引脚个地址引脚A0、A1和和A2用于编程硬件地址，允许用于编程硬件地址，允许将最多将最多8个器件连接至个器件连接至I2C总线总线而不而不需要额外硬件。器件的地址、控制需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向和数据通过两线双向I2C总线传输。总线传输。 器件功能包括多路复用模拟输器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、入、片上跟踪和保持功能、8位模位模数转换和数转换和8位数模拟转换。最大转位数

18、模拟转换。最大转换速率取决于换速率取决于I2C总线总线的最高速率。的最高速率。2、应用、应用 闭环控制系统闭环控制系统 用于远程数据采集的低功耗转换器用于远程数据采集的低功耗转换器 电池供电设备电池供电设备 在汽车、音响和在汽车、音响和TV应用方面的模拟数据采集应用方面的模拟数据采集PCF8591void iic_start(void) SDA = 1; _nop_(); SCL = 1; somenop; SDA = 0; somenop; SCL = 0;I2C起始起始SCL 线是高电平时，线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换线从高电平向低电平切换，这个，这个情况表示情况表示起始条

19、件；起始条件； #define somenop _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void iic_stop(void) SDA = 0; _nop_(); SCL = 1; somenop; SDA = 1;I2C停止停止SCL 线是高电平时，线是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换线由低电平向高电平切换，这个，这个情况表示情况表示停止条件。停止条件。 PCF8591采用典型的采用典型的I2C总线接口器件寻址方法总线接口器件寻址方法,即总即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。 由由PHILIPS公

20、司规定公司规定AD器件地址为器件地址为1001，引脚地址为，引脚地址为A2A1A0,其值由用户选择因此其值由用户选择因此 系统中最多可接系统中最多可接8个具有个具有I2C接口的器件，地址的最后一位为方向为接口的器件，地址的最后一位为方向为R/W,当主控器对当主控器对A/D器件进行读操作时为器件进行读操作时为 1，进行写操作时为，进行写操作时为0，总线操作，总线操作时，由器件地址、引脚地址和方向位组成的从地址为主控时，由器件地址、引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。器发送的第一字节。器件寻址器件寻址iic_sendbyte(0 x90);控制字节控制字节控制字节用于实现器件的各种

21、功能控制字节用于实现器件的各种功能 如模拟信号由哪几个通道输入等如模拟信号由哪几个通道输入等 控控制字节存放在控制寄存器中制字节存放在控制寄存器中 总线操作时为主控器发送的第二字节其格总线操作时为主控器发送的第二字节其格式如下所示。式如下所示。其中：其中：D1D0两位是两位是A/D通道编号通道编号: 00：通道：通道0；01：通道：通道1；10： 通道通道2；11：通道：通道 3D2：自动增量选择：自动增量选择(有效位为有效位为1)，每次，每次A/D转换后通道号将转换后通道号将 自动增加自动增加D5,D4 模拟量输入选择：模拟量输入选择： 00为四路单数入；为四路单数入； 01为三路差分输入；

22、为三路差分输入； 10 为单端与差分配合输入；为单端与差分配合输入；11为模拟输出允许有效为模拟输出允许有效D6:模拟输出使能，即模拟输出使能，即DA使能使能iic_sendbyte(0 x03);控制字节控制字节D5,D4 模拟量输入选择：模拟量输入选择： 00为四路单数入；为四路单数入； 01为三路差分输入；为三路差分输入； 10 为单端与差分配合输入；为单端与差分配合输入；11为模拟输出允许有效为模拟输出允许有效在进行数据操作时：在进行数据操作时：首先是主控器发出起始信号；首先是主控器发出起始信号；然后发出寻址字节然后发出寻址字节(写写)；被控器做出应答后；被控器做出应答后；然后发出控制

23、字节然后发出控制字节(写写)；被控器做出应答后；被控器做出应答后；读字节读字节(AD)操作流程操作流程然后发出寻址字节然后发出寻址字节(读读)；被控器做出应答后；被控器做出应答后；主控器从被控器读出第一个数据字节主控器从被控器读出第一个数据字节,主控器发出应答主控器发出应答;主控器从被控器读出第二个数据字节主控器从被控器读出第二个数据字节,主控器发出应答主控器发出应答; 主控器从被控器读出第主控器从被控器读出第n个数据字节个数据字节,主控器发出主控器发出非应答信号非应答信号;主控器发出停止信号。主控器发出停止信号。在进行数据操作时：在进行数据操作时：首先是主控器发出起始信号；首先是主控器发出起

24、始信号；然后发出寻址字节然后发出寻址字节(写写)；被控器做出应答后；被控器做出应答后；然后发出控制字节然后发出控制字节(写写)；被控器做出应答后；被控器做出应答后；写字节写字节(DA)操作流程操作流程主控器向被控器写入第一个数据字节主控器向被控器写入第一个数据字节,被控器回一个应答被控器回一个应答;主控器向被控器写入第二个数据字节主控器向被控器写入第二个数据字节,被控器回一个应答被控器回一个应答; 主控器发出停止信号。主控器发出停止信号。void iic_ack(bit ackbit) if(ackbit) SDA = 0; /应答应答 else SDA = 1; /非应答非应答 someno

25、p; SCL = 1; somenop; SCL = 0; SDA = 1; /SDA拉高拉高,释放释放SDA线线 somenop;应答响应应答响应 bit iic_waitack(void) SDA = 1; /P2.1作为输入口作为输入口 somenop; SCL = 1;/拉高拉高,准备检测准备检测SDA电平电平 somenop; /要大于要大于4us if(SDA) /检测应答信号检测应答信号 SDA=1 /无应答无应答SCL = 0;iic_stop();/主机终止主机终止IICreturn 0; /返回返回0，退出，退出 else /有应答有应答 SCL = 0;return 1;

26、 /返回返回1，退出，退出 主机等待从机应答主机等待从机应答主机在接收到一个字节后，主机在接收到一个字节后，向从机作出应答向从机作出应答当主机接收数据时，它收到最后一当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。个结束传送的信号。这个信号是由这个信号是由对从机的对从机的“非应答非应答”来实现的。来实现的。然然后，从机释放后，从机释放SDA线，以允许主机线，以允许主机产生终止信号。产生终止信号。void iic_sendbyte(unsigned char byt) unsigned char i; for(i=0;i8;i+) if

27、(byt&0 x80) /先发高位先发高位 SDA = 1; else SDA = 0; somenop; SCL = 1; byt = 1; somenop; SCL = 0; 发送字节发送字节unsigned char iic_recbyte(void) unsigned char da; unsigned char i; for(i=0;i8;i+) SCL = 1; somenop; da = 1; if(SDA) da |= 0 x01; SCL = 0; somenop; return da;接收字节接收字节PCF8591作为作为AD时的初始化流程时的初始化流程void i

28、nit_pcf8591AD(void) iic_start(); /启动启动IIC iic_sendbyte(0 x90); /总线寻址，进入写模式总线寻址，进入写模式 iic_waitack(); /等待从机应答响应等待从机应答响应 iic_sendbyte(0 x03); /写通道号，可以写通道号，可以00,01,02,03 iic_waitack(); /等待从机应答响应等待从机应答响应 iic_stop(); /停止停止IIC delay(10);unsigned char adc_pcf8591(void)unsigned char temp;iic_start(); /启动启动II

29、Ciic_sendbyte(0 x91); /总线寻址，进入读模式总线寻址，进入读模式iic_waitack(); /等待从机应答响应等待从机应答响应temp = iic_recbyte(); /读一个字节读一个字节iic_ack(0); /主机向从机作出非应答响应主机向从机作出非应答响应,释放释放SDAiic_stop(); /停止停止IICreturn temp;/返回一个返回一个0255之间的之间的AD结果结果转换结果转换结果当主机接收数据时，它收到当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结后，必须向从机发出一个结束传送的信号。束传送的信号。这个信号

30、是由对从机的这个信号是由对从机的“非应答非应答”来实现的。来实现的。然后，从机然后，从机释放释放SDA线，以允许主机产生终止信号。线，以允许主机产生终止信号。PCF8591作为作为DA时的初始化流程及时的初始化流程及DA转换转换void init_pcf8591DA(void) iic_start(); /启动启动IIC iic_sendbyte(0 x90); /总线寻址，进入写模式总线寻址，进入写模式 iic_waitack(); /等待从机应答响应等待从机应答响应 iic_sendbyte(0 x40); /写通道号，可以写通道号，可以00,01,02,03 iic_waitack();

31、 /等待从机应答响应等待从机应答响应 这里不用停止这里不用停止IIC，下面仍然是写模式；，下面仍然是写模式； 数字量变为模拟量，及数字量变为模拟量，及DA功能功能 iic_sendbyte(tablei); /模拟电压从模拟电压从OUT引脚输出引脚输出 iic_waitack(); I2C总线器件的扩展总线器件的扩展一、一、扩展电路扩展电路 下面讲基于IIC的EEPROM AT24C02 串行串行E2PROM的扩展的扩展 （1）串行）串行E2PROM典型产品典型产品 AT24C01：128字节（1288位）； AT24C02：256字节（2568位）；AT24C04：512字节（5128位）AT24C08：1K字节（1K8位）；AT24C16：2K字节（2K8位）； ATMEL公司的公司的AT24C系列：系列： （2）写入过程）写入过程 AT24C系列系列E2PROM芯片地址的固定部分为芯片地址的固定部分为1010，A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定引脚接高、低电平后得到确定的的3位编码。形成的位编码。形成的7位编码即为该器件的地址码。位编码即为该器件的地址码。 单片机进行写操作时，首先发送该器件的单片机进行写操作时，首先发送该器件的7位地位地址码和写方向位址码和写方向位“0”（共（共8位，即一个字节），发位，即一个字节），发送