【大学课件】单片机i方C串行总线的应用 基本知识储存器

单片机I2C串行总线的应用：基本知识与存储器本课程将深入探讨单片机I2C串行总线技术，涵盖基本概念、硬件结构、软件编程以及在存储器和其他设备中的应用。我们将学习如何有效利用这一强大的通信协议。一、I2C总线的基本概念定义I2C是一种简单、双向、两线制的同步串行总线。它由飞利浦公司开发，用于芯片间的短距离通信。应用范围广泛应用于消费电子、工业控制和嵌入式系统中，连接微控制器和各种外围设备。优势结构简单、成本低、可扩展性强，支持多主机和多从机通信。1.I2C总线的特点双向通信支持双向数据传输，实现主从设备之间的灵活交互。地址识别每个设备都有唯一的地址，支持多设备共享总线。时钟同步使用同步时钟信号，确保数据传输的可靠性和稳定性。2.I2C总线的工作原理1空闲状态SDA和SCL线都保持高电平。2起始条件SDA从高变低，而SCL保持高电平。3数据传输SCL为高时，SDA上的数据有效。4停止条件SDA从低变高，而SCL保持高电平。3.I2C总线的通信流程起始条件主机发送通信开始信号。地址帧发送7位设备地址和读/写位。数据帧逐字节传输数据，每字节后有应答位。停止条件主机发送通信结束信号。二、I2C总线的硬件结构信号线SDA（数据线）和SCL（时钟线）构成了I2C总线的物理层。设备接口主从设备通过特定的接口电路连接到总线。上拉电阻用于维持总线的高电平状态，确保信号质量。1.SDA和SCL信号线SDA（串行数据线）用于传输双向数据，支持主从设备之间的信息交换。SCL（串行时钟线）由主设备产生，用于同步数据传输，控制通信速率。开漏结构两条信号线都采用开漏结构，实现"线与"功能，支持多主机操作。2.主从设备接口电路主设备接口通常为微控制器，具有I2C控制器，能够产生时钟信号和控制总线。从设备接口各种外围芯片，如EEPROM、传感器等，能够响应主设备的命令。电平转换在不同电压域之间可能需要电平转换电路，确保信号兼容性。3.总线上拉电阻功能将SDA和SCL线拉至高电平，实现开漏输出的正常工作。选择电阻值需要根据总线电容和所需的上升时间来选择，通常在1kΩ到10kΩ之间。影响因素总线速度、噪声immunity和功耗都会受到上拉电阻值的影响。三、I2C总线的软件编程1底层驱动实现基本的I2C总线操作函数。2协议层处理I2C通信协议，如起始、停止条件和数据传输。3设备驱动针对特定I2C设备的操作函数。4应用层利用I2C通信实现具体功能。1.起始、停止条件的产生起始条件1.SCL保持高电平2.SDA从高电平切换到低电平停止条件1.SCL保持高电平2.SDA从低电平切换到高电平2.字节数据的发送和接收1发送数据主机将8位数据依次放到SDA线上，从高位到低位。2时钟同步每位数据传输时，SCL产生一个时钟脉冲。3接收数据接收方在SCL高电平期间读取SDA线上的数据。4应答位每个字节后跟随一个应答位，由接收方控制。3.应答位的产生和检测应答位定义每传输8位数据后，接收方需要产生一个应答位。应答信号接收方将SDA线拉低表示应答（ACK），保持高电平表示非应答（NACK）。检测方法发送方在第9个时钟周期读取SDA线状态，判断是否收到应答。四、EEPROM存储器的应用非易失性存储EEPROM可保持数据，即使断电也不会丢失信息。电擦写支持电子方式擦除和重写，无需紫外线。I2C接口许多EEPROM芯片支持I2C接口，便于与微控制器集成。1.EEPROM的基本结构存储单元由浮栅MOS管构成，可以长期保存电荷状态。地址译码器用于选择特定的存储单元进行读写操作。控制逻辑管理读写时序，执行擦除和编程操作。2.EEPROM的读写操作写操作发送设备地址、存储地址，然后写入数据。页写入一次可写入多个字节，提高效率。读操作发送设备地址、存储地址，然后读取数据。顺序读取可连续读取多个字节，地址自动递增。3.典型EEPROM芯片的引脚功能VCC和GND电源和接地引脚，为芯片提供工作电压。SCL和SDAI2C接口的时钟线和数据线，用于通信。A0-A2地址选择引脚，用于设置芯片在I2C总线上的地址。WP写保护引脚，用于防止意外写入。五、I2C总线上的其他设备1.时钟芯片DS1307功能提供精确的实时时钟功能，包括年、月、日、时、分、秒。特点低功耗，带有电池备份，可在主电源断开时保持时间计数。接口通过I2C总线与微控制器通信，设置和读取时间数据。2.模数转换器AD7819分辨率8位分辨率，可以将模拟信号转换为0-255的数字值。转换速度高速转换，适合快速采样应用。I2C控制通过I2C总线控制转换过程和读取数据。3.数字温度传感器DS18B20测量范围可测量-55°C到+125°C的温度范围。精度±0.5°C的精度，适合各种温度监测应用。数字输出直接输出数字温度数据，无需外部转换。总线兼容虽然原生支持1-Wire总线，但可通过适配器连接I2C总线。六、I2C总线技术在嵌入式系统中的应用1传感器接口连接各种环境和运动传感器。2存储扩展添加EEPROM或Flash存储器。3显示控制驱动LCD或OLED显示模块。4系统管理实现电源管理和时钟同步。1.多传感器网络温度监测使用多个DS18B20传感器监测不同区域温度。湿度控制集成湿度传感器，实现环境湿度的精确控制。压力测量利用压力传感器监测系统压力变化。2.数据采集和控制系统1数据采集使用AD7819等ADC采集模拟信号。2数据处理微控制器对采集的数据进行处理和分析。3数据存储将处理后的数据存储到EEPROM中。4控制输出根据分