I2C總線在8051單片機系統(tǒng)中的應用

1、引言
　　I2C總線是PHILIPS公司推出的一種具備多主機系統(tǒng)所需的包括裁決和高低速設備同步等功能的高性能串行總線。它使用兩條線：串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL），使連接到該總線上可訪問的器件之間傳送信息，屬于多主控制總線。總線上的每個器件都有唯一的地址識別，而且都可以作為一個發(fā)送器或接收器。由于I2C總線的使用可以簡化電路，省掉了很多常規(guī)電路中的接口器件，提高產(chǎn)品的可靠性，在許多領域尤其在目前使用的IC卡獲得了廣泛的應用。
　　現(xiàn)今，8051系列的單片機應用很廣，但是它們都沒有I2C總線接口。但是分析I2C總線的時序可知， I2C總線規(guī)定其時鐘線（SCL線）和和數(shù)據(jù)線（SDA線）是各設備對應輸出狀態(tài)相“與”的結(jié)果，任一設備都可以用輸出低電平的方法延長SCL低電平時間，迫使高速設備進入等待狀態(tài)，實現(xiàn)不同速度設備間的時鐘同步。因此，即使時鐘脈沖的高、低電平時間長短不一，也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳送，因此我們可以通過軟件控制單片機的普通I/O口做I2C接口，實現(xiàn)I2C總線功能。本文以ATMEL公司的具有I2C總線的AT24C256為例介紹I2C總線在8051單片機系統(tǒng)中的應用并給出C語言的軟件實現(xiàn)。
　　2、I2C總線構(gòu)成及時序
　　2.1 I2C總線組成
　　I2C總線是一個多主機總線，即可以連接多于一個能控制總線的器件到總線。I2C串行總線有兩根信號線：一根雙向的數(shù)據(jù)線SDA；另一根是時鐘線SCL。SDA和SCL都是雙向I/O口線，當總線空閑時這兩條線路都是高電平。所有接到I2C總線上的器件的串行數(shù)據(jù)線都接到總線的SDA線，各器件的時鐘線都接到SCL總線上。其結(jié)構(gòu)如圖一所示。



圖一：I2C總線的組成
　　2.2 I2C總線時序
　　所有主機在SCL線上產(chǎn)生自己的時鐘來傳輸I2C總線上的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只在時鐘的高電平周期有效，每傳輸一個數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個時鐘脈沖，數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線的時鐘信號是低電平時才能改變，當SCL為高電平時，SDA的改變表示“開始”和“停止”狀態(tài)，即SDA由高電平轉(zhuǎn)入低電平表示開始，該命令必須在其它命令前執(zhí)行；SDA由低電平轉(zhuǎn)入高電平表示停止狀態(tài)，該命令可終止所有通訊。在開始條件后，SCL低電平期間，SDA允許變化，每位數(shù)據(jù)需一個時鐘脈沖，當SCL為高時，SDA必須穩(wěn)定，主控器在應答時鐘脈沖高電平期間釋放SDA線，轉(zhuǎn)由接收器控制。相同總線上的設備在收到數(shù)據(jù)后，以置SDA為低電平的方式對其確認。總線不忙時，數(shù)據(jù)線和時鐘線保持為高電平。I2C的時序如圖二所示。


圖二：I2C總線時序圖　　3、8051單片機系統(tǒng)中I2C總線的實現(xiàn)
　　8051系列單片機上并不帶I2C總線，因此必須根據(jù)I2C總線的時序用單片機上的I/O口模擬I2C總線時序?qū)崿F(xiàn)其功能。現(xiàn)以單片機應用系統(tǒng)中較為常見的E2PROM中AT24C256為例，介紹在8051上利用普通I/O口實現(xiàn)I2C串行總線的方法和軟件設計。
　　AT24C256是ATMEL公司256kbit串行電可擦的可編程存儲器，8引腳雙排直插式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點，其引腳排列如圖三所示。


圖三：AT24C256引腳圖　　其中A0、A1為地址選擇輸入端。A0、A1用來區(qū)分各芯片地址，地址分布從0到3。A0、A1懸空時為0。SCL為串行時鐘輸入，上升沿將SDA上的數(shù)據(jù)寫入存儲器，下降沿從存儲器讀出數(shù)據(jù)送SDA上。SDA是雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出口，用于存儲器與單片機之間的數(shù)據(jù)交換。WP為寫保護輸入。此引腳與地相連時，允許寫操作；與VCC相連時，所有的寫存儲器操作被禁止。如果不連，芯片內(nèi)部下拉到地；VCC接＋5V電源；GND接地；NC懸空。
　　AT24C256在開始狀態(tài)后需緊接一個8位器件地址，以進行相應的讀寫操作。設備尋址碼的高4位為1、0、1、0，尋址碼高4位后面的三位是器件尋址碼，與它們的硬連線管腳相對應。最低應是讀寫選擇位，置0時可激發(fā)寫操作，置1激發(fā)讀操作。器件的具體的格式為：1010A2A1A0R/W，其中當R/W為0時，為寫AT24C256，當為1時為讀操作。
　　因為AT24C256片內(nèi)地址是以8位為單元的，其總存儲容量為256K，所以其片內(nèi)地址為從0到32767的任意數(shù)值。因此在編寫軟件時設置其片內(nèi)地址數(shù)據(jù)類型時要設置為unsigned int型，而不能為unsigned char型。
　　圖四所示為AT89S51單片機和AT24C256的接口圖,分別用I/O口P1.6、P1.7連接SDA和SCL總線。通過控制P1.7口的高低電平得到I2C的虛擬時鐘，P1.6口作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向端口，作為單片機和AT24C256之間的數(shù)據(jù)線。


　　4、虛擬I2C總線軟件結(jié)構(gòu)
　　對于虛擬I2C總線來說要實現(xiàn)其功能主要是要軟件要注意I2C器件的操作時序，總線的運行由主機控制。所謂主機即啟動數(shù)據(jù)的傳送即發(fā)出啟動信號，發(fā)出時鐘信號，傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設備，通常主機是微處理器。被主機尋訪的設備都稱為從機。為了進行通訊，每個接到I2C總線的設備都有一個唯一的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到從機，也可以是從機發(fā)到主機。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設備稱為發(fā)送器，從總線上接收數(shù)據(jù)的設備被稱為接受器。根據(jù)I2C的時序，軟件分為開始、停止、應答、檢查應答、不產(chǎn)生應答、讀操作、寫操作。以下為C程序清單調(diào)試成功。
　　#include
　　Sbit sda=P1^7;
　　Sbit scl=P1^6;
　　啟動函數(shù)，在SCL為高時，SDA的下降沿為啟動信號。
void Start(void)
{ scl=0; //SCL處于低電平時,SDA才能改變
sda=1;// 一個"開始"狀態(tài),該狀態(tài)必須在其他命令之前執(zhí)行
scl=1; // 當scl為高電平時sda的下降沿表示開始狀態(tài)
_nop_(); _nop_(); _nop_(); //給一個延時
sda=0; //給下降沿表示開始
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
scl=0; //恢復低電平以改變sda的值
sda=1; }
　　停止函數(shù)，在SCL為高時，SDA的上升沿為停止信號。
void Stop(void)
{scl=0; //SCL處于低電平時,SDA改變數(shù)值 */
sda=0; //scl為高電平時，sda的上升沿表示停止，
scl=1; //scl為高電平時改變sda的狀態(tài)表示啟動，停止
_nop_(); _nop_(); _nop_(); // 延時
sda=1;
_nop_(); _nop_(); _nop_();
scl=0; }
/* * * * * 檢查應答位 * * * * */
bit RecAck(void)
{ scl=0; //在scl為0的時候改變sda的值
sda=1;
scl=1; //在scl為1的時候等待sda值的變化，在器件接受到數(shù)據(jù)后會把sda拉低。
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
CY=sda; // 因為返回值總是放在CY中的
scl=0;
_nop_();
return(CY); //如果為CY為低則表示接受成功，如果為高，則表示接受失敗。
}
/* * * * *對I2C總線產(chǎn)生應答（一般用在讀操作中） * * * * */
void Ack(void)
{
sda=0;// EEPROM通過在收到每個地址或數(shù)據(jù)之后,
_nop_();_nop_();
scl=1;//置SDA低電平的方式確認表示收到讀SDA口狀態(tài)
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
scl=0;
_nop_();
sda=1;
}

/* * * * * * * * * 不對I2C總線產(chǎn)生應答 * * * * */
void NoAck(void)
{ sda=1;
scl=1;
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
scl=0;
}
　　向I2C總線寫數(shù)據(jù),每次寫8位數(shù)據(jù)。
void Send(uchar sendbyte)
{uchar j=8;
for(;j>0;j--)
{scl=0;//拉低scl準備給上升沿
delay(5);//延時
sendbyte <<= 1;// 使CY=sendbyte^7;
sda=CY; // CY 進位標志位
scl=1; //給上升沿，發(fā)出sda的狀態(tài)值
}
scl=0;
}
　　從I2C總線上讀數(shù)據(jù)子程序 ，每次讀8位數(shù)據(jù)。
uchar Receive(void)
{ register receivebyte,i=8;
scl=0;
while(i--)
{ scl=1; //拉高scl準備給下降沿
receivebyte=(receivebyte <<1)|sda; //接受值左移一位把低位和sda相或得到sda的狀態(tài)值
scl=0; //給下降沿發(fā)出sda的狀態(tài)值
}
return(receivebyte);
}
　　5、結(jié)論
　　本文介紹了I2C總線的組成及時序，并以ATMEL公司的AT24C256為例給出了用8051C語言模擬I2C總線的時序的起始、停止及CPU向I2C總線的發(fā)送和接收8位字節(jié)的程序。