I2C协议解析及实测波形

摘要：I2C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，它只有两根双向信号线：一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

关键词：I2C总线 SDA SCL

中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0057-02

I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。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，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。当在信号线SCL为高电平期间数据线上的数据有变化在I2C协议中是具有特定含义的，其代表I2C总线在传送数据过程中的两种类型信号：开始信号和结束信号。其具体规定如下：

起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

I2C协议中，除了开始信号和结束信号以外，还有另一种来自从机的信号：应答信号。接收数据的IC（在本文中是24C02）在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。信号的时序图如图1～图2所示。

先来编写起始信号和结束信号的相关函数，应答信号放在下一小节的写一个字节函数里面。先来看下SCL引脚和SDA引脚的定义：

#define AT24C02_SDA PORTA_PA1

#define AT24C02_SCL PORTA_PA0

//I2C总线初始化函数

void I2Cinit（）

{

DDRA_DDRA0=0xFF； //IO口设为输出

DDRA_DDRA1=0xFF； DDRA_DDRA2=0xFF；

PUCR_PUPAE=0xFF； //设置上拉电阻，如果外部有接上拉电阻，可省

AT24C02_SCL=1； AT24C02_SDA=1； Dlyms（1）；

}

接下来是起始信号函数和结束信号函数的编写：

void I2CStart（）

{

DDRA_DDRA1=0xFF； AT24C02_SCL=1； AT24C02_SDA=1；

delay15us（）； AT24C02_SDA=0； delay15us（）；

AT24C02_SCL=0； delay15us（）；

}

void I2CStop（）

{

DDRA_DDRA1=0xFF； AT24C02_SCL=1； AT24C02_SDA=0；

delay15us（）； AT24C02_SDA=1； delay15us（）；

}

这两个函数是按照图1和图2的时序写的，读者可以结合上述的两个图来理解该程序。实测的这两个信号的波形如图3和图4所示。

上两个图中，通道一的波形为SCL引脚的波形，通道二的波形为SDA的波形。从图3上实测的时间可以看出，当SCL为高电平时，SDA为低电平持续的时间为20.8μs（图中两条光标之间的时间），这大于图1中要求的4μs，可知该波形是符合I2C协议的。同理可分析图4。

接下来用MCU的IO口模拟I2C的写时序。

void AT24C02WrtieByte（unsigned char data）

{

unsigned char i；

DDRA_DDRA1=0xFF；

for（i=0；i

{

AT24C02_SCL=0； //允许数据变化

if（data&0x80） //写1

{

AT24C02_SDA=1；

}

else //写0

{

AT24C02_SDA=0；

}

delay15us（）； AT24C02_SCL=1； delay15us（）； delay15us（）；

data=data

}

AT24C02_SCL=0； //允许数据变化

delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）；

AT24C02_SDA=1；

delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）；

DDRA_DDRA1=0x00； //设为输入，等待从机响应

delay15us（）； delay15us（）；ACK（）；

}

其中：void ACK（） //应答信号

{

unsigned char i=0； AT24C02_SCL=1； delay15us（）；

while（AT24C02_SDA==1）； AT24C02_SCL=0；delay15us（）；

}

在主程序里调用如下的函数：

I2CStart（）；

AT24C02WrtieByte（0xa0）；

运行程序，实测得的发送0xA0的波形如图5所示：

接下来用IO模拟I2C的读时序。程序如下：

unsigned char AT24C02ReadByte（void） //读一个字节

{

unsigned char i，j，data；

DDRA_DDRA1=0x00； AT24C02_SCL=0； delay15us（）；

AT24C02_SDA=1； //释放SDA以便从机将数据放到SDA上

for（i=0；i

{

AT24C02_SCL=1； delay15us（）；

if（AT24C02_SDA==1）

j=1；

else

j=0；

data=（data

}

delay15us（）； return data；

}

有了以上的写一个字节函数和读一个字节函数，可以编写如下两个更方便对外接口的函数：

void write_add（unsigned int address，unsigned char info）//指定地址写一个字节数据

{

I2CStart（）； //起始信号

AT24C02WrtieByte（0xa0）；//进行从机地址寻址

delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）；

AT24C02WrtieByte（address）； //将数据写入该地址

delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）； delay15us（）；

AT24C02WrtieByte（info）； //写入的数据

I2CStop（）；//停止信号

}

unsigned char read_add（unsigned char address）//指定地址读一个字节数据

{

unsigned char dd； I2CStart（）； AT24C02WrtieByte（0xa0）；

AT24C02WrtieByte（address）； I2CStart（）； AT24C02WrtieByte（0xa1）；

dd=AT24C02ReadByte（）； I2CStop（）； return dd；

}

有了上面的两个函数，就可以向24C02中的指定地址写入或读出数据了。在主程序中调用这两个函数：

void main（void） {

EnableInterrupts；

I2Cinit（）；

for（；；）

{

write_add（23，0x55）； Dlyms1（10）； temp=read_add（23）；

DDRB=0xFF；//该语句为了调试的方便，设置断点的需要

}

}

从图6中可以看出，对24C02的读写操作都是正确的，通信正常。图6是读出0x55的实测波形：

两条光标之间的即为读0x55的过程。