I2C 总线通信技术基础

1.0 I2C 技术基础

使用总线的目的：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，系统的更改和扩充变的极为容易。

通信中常用的串行拓展总线

I2C（Inter-Integrated Circuit ）总线【两线】

RS485总线【两线】

单总线（1－WIRE BUS）【一线】

SPI（Serial Peripheral Interface）总线【四线】

CAN总线【两线】

LIN总线【一线】

IPC总线是Philips公司推出的一种同步串行总线，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性能串行总线。

P2℃总线有两根信号线,SDA、SCL

SDA线称为串行数据线,传输双向的数据;

SCL线称为串行时钟线，传输时钟信号，用来同步串行数据线上的数据；

由于SDA和SCL引脚都是漏极开路输出结构，故SDA和SCL接上拉电阻到电源，一般上拉电阻取值3-10K。当总线空闲时，两根线均为高电平，连接到总线的任一器件输出低电平，都将使总线的信号变低，各器件的SDA及SCL都是“线与"关系。I2C总线数据传输速率：标准模式:100kbit/s，快速模式:400kbit/s，高速模式:3.4Mbit/s

两条总线，可挂载多个设备

内部漏极开漏，外部必须加上拉电阻

2.0 地址

每个接到P℃总线上的从机器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以由主机发送数据到其它器件，也可以由主机读取其它器件的数据，发送数据的一方为发送器,接收数据的一方接收器。在多主机系统中，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，I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。在51单片机应用系统的电路中，我们经常遇到的是以单片机为主机，其它器件为从机的单主机情况。

I2C 总线原理图

【I2C数据位有效性规定】---重要

一、数据位的有效性规定
    I2C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，不得变化，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的电平状态才允许发生变化。
原因：
     1、从机在收到主机发来SCL的上升沿之后，立刻读取SDA数据状态。
    2、在SCL为高电平期间，SDA发生变化有其它重用。（主要是用于判断是起始位还是结束位）

【起始信号和中止信号】

二、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；

【通信规则与寻址字节】

三、通信规则、寻址字节
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，或叫总线被释放。
连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。
主机发送完起始信号后，需要先传送一个寻址字节，其格式如下图所示，其中高7 位为从器件地址，最低位D0是控制数据接下来传送方向的方向位R/ W ， R/ W =1 表示主机向从机读数据， R/ W =0 表示主机向从机写数据。

主机发送地址时，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，则认为自己正被主机寻址，根据R/W位将自己确定为发送器或接收器。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能会接入多个相同型号的从机，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7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同型号的器件，即**可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。

【I2C 数据传送格式】

四、数据传送的格式

1、字节传送与应答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或者非应答位（即一帧共有9位）。

由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机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“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

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“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

【数据帧格式】

2、数据帧格式 I2C总线上传送的数据既包括地址信号，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，1 表示主机向从机读数据， 0 表示主机向从机写数据，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。