51單片機I2C詳解與程序源碼

ID:338578 · 發表于 2018-5-26 12:09

I2C是由Philips公司發明的一種串行數據通信協議，僅使用兩根信號線：SerialClock（簡稱SCL）和SerialData（簡稱SDA）。I2C是總線結構，1個Master，1個或多個Slave，各Slave設備以7位地址區分，地址后面再跟1位讀寫位，表示讀（=1）或者寫（=0），所以我們有時也可看到8位形式的設備地址，此時每個設備有讀、寫兩個地址，高7位地址其實是相同的。
I2C數據格式如下：
無數據：SCL=1，SDA=1；
開始位（Start）：當SCL=1時，SDA由1向0跳變；
停止位（Stop）：當SCL=1時，SDA由0向1跳變；
數據位：當SCL由0向1跳變時，由發送方控制SDA，此時SDA為有效數據，不可隨意改變SDA；
當SCL保持為0時，SDA上的數據可隨意改變；
地址位：定義同數據位，但只由Master發給Slave；
應答位（ACK）：當發送方傳送完8位時，發送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否應答位（NACK）：當發送方傳送完8位時，發送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。
當數據為單字節傳送時，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應答，8位數據，應答，停止位。
當數據為一串字節傳送時，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應答，8位數據，應答，8位數據，應答，……，8位數據，應答，停止位。
需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照數據傳送的方向，讀數據時由Slave控制SDA，寫數據時由Master控制SDA。當8位數據傳送完畢之后，應答位或者否應答位的SDA控制權與數據位傳送時相反。
2，開始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master來發出。
3，地址的8位傳送完畢后，成功配置地址的Slave設備必須發送“ACK”。否則否則一定時間之后Master視為超時，將放棄數據傳送，發送“Stop”。
4，當寫數據的時候，Master每發送完8個數據位，Slave設備如果還有空間接受下一個字節應該回答“ACK”，Slave設備如果沒有空間接受更多的字節應該回答“NACK”，Master當收到“NACK”或者一定時間之后沒收到任何數據將視為超時，此時Master放棄數據傳送，發送“Stop”。
5，當讀數據的時候，Slave設備每發送完8個數據位，如果Master希望繼續讀下一個字節，Master應該回答“ACK”以提示Slave準備下一個數據，如果Master不希望讀取更多字節，Master應該回答“NACK”以提示Slave設備準備接收Stop信號。
6，當Master速度過快Slave端來不及處理時，Slave設備可以拉低SCL不放（SCL=0將發生“線與”）以阻止Master發送更多的數據。此時Master將視情況減慢或結束數據傳送。
在實際應用中，并沒有強制規定數據接收方必須對于發送的8位數據做出回應，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO軟件模擬的方法來實現的情況下，編程者可以事先約定數據傳送的長度，slave不檢查NACK，有時可以起到減少系統開銷的效果。但是如果slave方是硬件i2c要求一定要標準的NACK，master方是GPIO軟件模擬i2c并沒有正確的發送NACK，就會出現“slave收不到stop”導致i2c掛死。

在正常情況下，I2C總線協議能夠保證總線正常的讀寫操作。但是，當I2C主設備異常復位時(看門狗動作，板上電源異常導致復位芯片動作，手動按鈕復位等等)有可能導致I2C總線死鎖產生。下面詳細說明一下總線死鎖產生的原因。

在I2C主設備進行讀寫操作的過程中.主設備在開始信號后控制SCL產生8個時鐘脈沖，然后拉低SCL信號為低電平，在這個時候，從設備輸出應答信號，將SDA信號拉為低電平。如果這個時候主設備異常復位，SCL就會被釋放為高電平。此時，如果從設備沒有復位，就會繼續I2C的應答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變為低電平，才會結束應答信號。而對于I2C主設備來說.復位后檢測SCL和SDA信號，如果發現SDA信號為低電平，則會認為I2C總線被占用，會一直等待SCL和SDA信號變為高電平。這樣，I2C主設備等待從設備釋放SDA信號，而同時I2C從設備又在等待主設備將SCL信號拉低以釋放應答信號，兩者相互等待，I2C總線進人一種死鎖狀態。同樣，當I2C進行讀操作，I2C從設備應答后輸出數據，如果在這個時刻I2C主設備異常復位而此時I2C從設備輸出的數據位正好為0，也會導致I2C總線進入死鎖狀態。

方法

(1)盡量選用帶復位輸人的I2C從器件。

(2)將所有的從I2C設備的電源連接在一起，通過MOS管連接到主電源，而MOS管的導通關斷由I2C主設備來實現。
(3)在I2C從設備設計看門狗的功能。

(4)在I2C主設備中增加I2C總線恢復程序。

每次I2C主設備復位后，如果檢測到SDA數據線被拉低，則控制I2C中的SCL時鐘線產生9個時鐘脈沖(針對8位數據的情況，“9個clk可以激活”的方法來自NXP的文檔，NXP（Philips）作為I2C總線的鼻祖，這樣的說法是可信的)，這樣I2C從設備就可以完成被掛起的讀操作，從死鎖狀態中恢復過來。

這種方法有很大的局限性，因為大部分主設備的I2C模塊由內置的硬件電路來實現，軟件并不能夠直接控制SCL信號模擬產生需要時鐘脈沖。

或者，發送I2C_Stop條件也能讓從設備釋放總線。

如果是GPIO模擬I2C總線實現，那么在I2C操作之前，加入I2C總線狀態檢測I2C_Probe，如果總線被占用，則可嘗試恢復總線，待總線釋放后，再進行操作。要保證I2C操作最小單元的完整性，不被其他事件（中斷、高優先級線程，等）打斷。

(5)在I2C總線上增加一個額外的總線恢復設備。這個設備監視I2C總線。當設備檢測到SDA信號被拉低超過指定時間時，就在SCL總線上產生9個時鐘脈沖，使I2C從設備完成讀操作，從死鎖狀態上恢復出來。總線恢復設備需要有具有編程功能，一般可以用單片機或CPLD實現這一功能。

(6)在I2C上串人一個具有死鎖恢復的I2C緩沖器，如Linear公司的LTC4307是一個雙向的I2C總線緩沖器，并且具有I2C總線死鎖恢復的功能。LTC4307總線輸入側連接主設備，總線輸出側連接所有從設備。當LTC4307檢測到輸出側SDA或SCL信號被拉低30ms時，就自動斷開I2C總線輸入側與輸出側的連接.并且在輸出側SCL信號上產生16個時鐘脈沖來釋放總線。當總線成功恢復后，LTC4307會再次連接輸入輸出側，使總線能夠正常工作。