单片机原理及接口技术 课件 第十章 IIC通信协议与典型电路应用

单原及接片理口技术机12第十章IIC通信协议与典型电路应用01IIC时序初步认识02IIC通信协议AT24C02芯片03AT24C02芯片与单片机通信的典型示例04利用PCF8574芯片扩展I/O端口PrincipleandinterfacetechnologyofMicrocomputer05习题IIC通信协议与典型电路应用单片机常用通信协议中，IIC通信协议是常用协议之一。该通信总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，常用于连接微处理器及其外围芯片。IIC总线的主要特点是接口方式简单，只需两条线可挂载多个参与通信的器件，即多机模式，并且任何一个器件都可以作为主机用来发布指令和数据。从原理上来讲，以前学过的UART属于异步通信，比如电脑发送给单片机，电脑只负责把数据通过TXD发送出来即可，接收数据是由单片机负责的事情。而IIC属于同步通信，在IIC通信总线中，SCL时钟总线负责收发时钟节拍，SDA数据总线负责传输数据。IIC的发送方和接收方都要以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。从应用上来讲，串行UART通信多用于板间通信，比如单片机和电脑，这个设备和另外一个设备之间的通信。IIC多用于板内通信，比如单片机和板载芯片之间的通信。01IIC时序初步认识IIC时序概述IIC（inter-Integratedcircuit）,两线式串行总线，用于MCU和外设间的通信。在硬件上，IIC总线由时钟总线SCL和数据总线SDA两条总线构成，以半双工方式实现MCU和外设之间数据传输，速度可达400kbps，连接到总线上的所有器件的时钟总线SCL都连到一起，所有数据总线SDA连到一起。IIC总线是开漏并联的结构，外部要添加上拉电阻。对于开漏电路外部加上拉电阻，就组成了线“与”的关系。总线上线“与”的关系意义是指，所有接入的器件该条总线保持高电平，这条线才是高电平，但是其中任何一个器件输出低电平，那这条线就会保持低电平，因此可以做到任何一个器件都可以拉低电平，这样也就说明任何一个器件都可以作为主机。绝大多数情况下我们都是用单片机来做主机，通过IIC总线挂载多个器件，其中每一个都像门牌一样有自己唯一的地址，在信息传输的过程中，通过这个地址就可以正常识别到属于自己的信息。如图10-1所示，挂载多个IIC从机的示意图。1.1IIC时序协议过去章节介绍UART串行通信的时候，说明了通信流程分为起始位、数据位、停止位这三部分，同理在IIC中也有起始信号、数据传输和停止信号的定义，如图10-2所示。1.2从图上可以看出来，IIC和UART时序流程类似，同时也有区别。UART每一个字节中，都有一个起始位、8个数据位、1位停止位。而IIC分为起始信号、传输信号、停止信号。其中传输信号部分，可以单次传输很多个字节，字节数是不受限制的，而每个字节的数据最后也跟一个应答位，通常用ACK表示，相当于UART的停止位。下面把IIC通信时序进行具体分析。之前我们已经学过了串行UART，大家心里有了传输的概念，因此学习IIC的过程以UART来作比较，有助于理解。在UART通信过程中，虽然用了TXD和RXD两根线，但是实际使用中，一条线就可以完成，两根线是把发送和接收分开而已，但是IIC每次通信，不管是发送还是接收，必须两根线都参与工作才能完成，为了更方便的看出来每一位的传输流程，下面把IIC的数据传输过程分离出来。1、数据有效性规定IIC总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。如图10-3所示。2、起始和终止信号SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;SCL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。如图10-4所示是IIC起始和终止信号示意图。起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态;在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。连接到IIC总线上的器件，若具有IIC总线的硬件接口，则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，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。3、数据应答格式每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据，从机应答主机所需要的时钟仍是主机提供的，应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答，如图10-5所示。4、数据帧格式IIC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。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。{这里小编在驱动MPU6050模块的时候，就犯过这样的错误，它写的MPU6050从机地址是0x68,因为发送从机地址的时候，要加一位读写方向位，因为刚开始应该是向这个MPU6050里写从机里某个寄存器的地址，所以应该是7位地址0x68(1101000)+二进制位0=11010000）也就是0xD0,表示要向该IIC设备里写东西，然后再紧接着写入IIC设备里的寄存器地址，而我直接写入了0x68,导致出错}，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，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。在总线的一次数据传输过程中，可以有以下几种组合方式：1、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传输过程中不发生改变。具体传输过程如图10-6所示。其中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。A表示应答(低电平)，A非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。2、主机在第一个字节后，立即从从机读数据，传输数据格式如图10-7所示。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，但两次读/写方向位正好反相，反相的数据传输格式如图10-8所示。单片机模拟IIC时序信号代码51单片机I/O端口不具有IIC数据传输功能，因此我们采取通过软件对电平的高低操作来实现IIC数据传输。下面是起始信号检测、终止信号检测、应答信号、非应答信号、等待应答信号、接收一个字节和读取一个字节的基本代码指令。1.3IIC通信协议AT24C02芯片02AT24C02芯片概述2.1AT24C02是一个2K位串行CMOSEEPROM芯片，该芯片内部含有256个8位字节。有一个8字节页写入缓冲器。器件通过IIC总线接口进行操作，可工作在低电压低功耗模式下，常应用于工业或者商业场景中，封装形式一般为：PDIP、SOIC、MAP、SSOP，图10-9是PDIP封装形式。AT24C02芯片特性：1、可工作于低电压和低功耗模式下；2、两线串行接口，简便连接方式；3、双向数据可同时传输；4、高可靠性：一百万次读写操作，数据保存长达100年；5、满足工业级和高温高湿要求。AT24C02引脚分配和参数工作表：寻址引脚（A0、A1和A2）：A0、A1和A2引脚用于多器件之间的寻址操作，将这些输入引脚上的电平与从器件地址中的相应位做比较，如果比较结果为“真”，则该器件被选中，地址寻址工作完成。在本章节讲述实验中，片选信号地址输入引脚A0、A1和A2被直接接到逻辑0（也就是接地）上，直接由单片机控制其应用，寻址功能并没有使用，但是如果有多个器件，该功能被正确使用即可达到寻址的目的和效果。数据引脚（SDA）：串行数据引脚为双向引脚，用于把地址和数据输入/输出器件，该引脚为漏极开路电路，需要外接上拉电阻。AT24C02总线工作原理：IIC总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。下面按照芯片使用逻辑将AT24C02起始和终止信号、数据传送信号的总线工作原理总结如下：起始和终止信号：SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL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。数据传送信号：每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），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9位）。如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。AT24C02芯片与单片机通信的典型示例03项目要求：利用单片机（示例型号AT89C51）的P1、P2和P3端口分别与按键部分（独立按键S），显示部分（LCD1602）和IIC协议存储芯片（AT24C02）连接，最终在LCD1602显示对按键计数的程序，在这个项目中，既能学习对AT24C02的存储、读取过程，又能熟悉P3端口的工作模式。项目仿真和电路图设计3.1通过Proteus绘制项目电路图，并且通过该软件能够制作PCB板的功能，实现电路的设计、仿真和实现，Proteus仿真电路图如图10-12所示。利用Proteus绘制基于AT24C02对按键计数项目有以下器件：LM016L：2行16列液晶（EN三个控制端口（共14线），工作电压为5V。无背光，可显示2行16列英文字符，有8位数据总线D0-D7）；AT24C02：2K串行CMOSE2PROM芯片；BUTTON（S）：独立按键；项目软件设计3.2根据本章主要内容是对2K串行CMOSE2PROM芯片使用的IIC通信协议进行详细讲解，而本程序中涉及到的定时计数器、LCD1602和串行数据传输等功能程序已经在前序章节介绍，所以在本次程序讲解过程中不详解，请主要关注的是如何利用单片机IO端口高低电平变化而模拟IIC通信协议传输的效果。实验完成需要补充的是，51单片机内部是不具备IIC硬件模块的，所有51单片机都是通过对IO端口高低电平变化的控制模拟IIC通讯协议。当然，使用IO口高低电平变换模拟IIC，更有利于彻底理解透彻IIC通信的实质。今后，如果使用到内部自带IIC模块的单片机（例如STM32），学习IIC通讯协议会更轻松，使用内部的硬件模块，可以提高程序的执行效率。利用PCF8574芯片扩展I/O端口04PCF8574芯片概述4.1PCF8574是CMOS电路。它通过两条双向总线（IIC）可使51单片机实现I/O口扩展。该器件包含一个8位准双向口和一个IIC总线接口。PCF8574电流消耗很低，且I/O口输出锁存具有大电流驱动能力，可直接驱动LED。它还带有一条中断接线（INT）可与MCU的中断逻辑相连。通过INT发送中断信号，远端I/O口不必经过IIC总线通信就可通知MCU是否有数据从端口输入。这意味着PCF8574可以作为一个单被控器。PCF8574芯片具有以下特性：操作电压2.5-6.0V；低备用电流（≤10μA）；IIC并行口扩展电路开漏中断输出IIC总线实现8位远程I/O口与大多数MCU兼容输出锁存具有大电流驱动能力，可直接驱动LED通过3个硬件地址引脚可寻址8个器件（PCF8574A可多达16个）DIP16，SO16或SSOP20形式封装PCF8574芯片封装格式如图10-13所示。利用PCF8574芯片实现驱动LCD项目4.2液晶显示一般用到4根或者是8根的数据线，这样的方式会占用较多的I/O口，影响51单片机的使用。PCF