用Proteus学习51单片机之I2C(IIC)总线

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在学习单片机的过程中，我常有这样的烦恼：随随便便一个芯片，少则占用三五个IO口，一般的就占用8个，稍微想用多一点芯片吧，老觉得IO口不够用。学串口的时候觉得串口是个好东西，连两条线就够了，现在学到I²C，觉得这也是一个非常好的东西，也是两条线，还能给每个总线上的设备设立地址，简直就是一个小网络了。

I²C总线使用两条线，一条是时钟线，称为SCL，一条是数据线，称为SDA，各个设备就并在总线上，每一个总线上的设备都有一个自己的地址，主机在操作设备的时候，都会先发送一个地址码，告诉被操作机，接下来的命令由它接收。

接下来说一下I²C总线的数据有效性。I²C总线进行数据传送时，要求SCL为高电平时，SDA上的数据必需保持稳定，换言之，当SCL为高电平时，SDA的电平不能变换，只有当SCL为低电平时，SDA的电平才能变。

I²C总线通信时，需要遵照一定的协议，以下为一次通信过程：

由主机发送起始信号，启动I²C总线。时序为，在SCL为高电平期间，SDA出现一个下降沿。
主机发送寻址信号，即告诉特定的设备，接下来的命令是发给它的。地址分为7位和10位，以7位为例，高7位为设备地址，最低位表示读或写，1表示读，0表示写。
应答信号，I²C协议规定，每传送一个字节数据（包括地址及命令）后，都要有一个接收设备返回的应答信号，以确定信号是否被接收设备正确接收到了。其时序为，在SCL信号为高电平期间，接收设备把SDA电平拉低。
数据传输，当主机发送发址并收到应答后，就可以发送数据了，但是发送数据只能每次发送一位，并且每发送一位后都需要收到接收机的应答。或主机为接收设备时，主机对最后一个字节不应答，表示向发送设备说，数据传送结束。
发送停止信号，在全部数据传送完毕后，主机发送停止信号，时序为，在SCL为高电平期间，SDA上产生一个上升沿。

前面讲到，I²C协议要求数据的发送，要求SCL为低电平时，SDA才能变换，看一下上面的时序，可以看到，命令都是SCL为高电平时对SDA的操作，而发送数据则是SCL为低电平时对SDA操作。

这次拿来做实验的是AT24C02存储芯片，在Proteus里面，它叫24C02C（或者24C02B），是一个2K bit的I²C总线的EEPROM存储器，换成电脑上常用的KB也就是256KB，EEPROM表示它保存了以后不用加电池，也能保持数据完好。实验的做法是，先把数据保存到芯片中，然后再读出来，显示到1602液晶上。

上面介绍了I²C总线的协议格式，即发送一个命令的格式，但是对于每一个设备来说，要操作它，是需要很多命令的，AT24C02的操作则主要是读和写，它分为页读写（即一次读写一大片）和字读写（一次读写一个字节）两种方式，初学么，只使用字读写方式，下面记录一下读写的时序。

首先是写数据，时序如下：

1.发送启动信号

2.发送一个控制字（即芯片的地址）——等待应答

3.发送要写的芯片内存储单元地址——等待应答

4.发送要写入的数据——等待应答

5.停止信号

接下来是读数据的时序：

1.发送启动信号

2.发送一个控制字（即芯片的地址，最低位为0即写操作）——等待应答

3.发送要读取的芯片内存储单元地址——等待应答

4.再发送一个地址信号(同第2步，但是最低位为1，即读操作)——等待应答

5.按每次一位，读取数据

6.停止信号

I²C协议看起来相对复杂，但是在单片机里面实现，其实就是用两个IO口，来模拟SCL和SDA的电平变化。以启动I²C为例（在SCL为高电平时，SDA发送一个下降沿），代码如下：

SDA = 1;//把SDA先置高电平，待会好出现下降沿

delay();

SCL = 1;//SCL要晚于SDA设置，否则容易和其他命令混淆

delay();

SDA=0;//电平从1到0，出现一个下降沿

delay();

---------------------------------------------------------------------

Proteus电路图如下，记得要在总线的两条线上，接上拉电阻（10K即可）

结果如下：

这里还得说一下I²C DEBUGGER这个虚拟仪器，真的是挺好用的，把它接在总线上后，它会把每一个命令都显示出来，并把操作属于哪一种操作都标识出来，以我往芯片存一个字符“H”为例：

它把每一步都标的清清楚楚，特别说明一下的是，几个字符是有特殊意义的，如：

S表是I²C总线-“开始”
A---应答
p---停止
Sr--重启动

所以第一行S A0 A 01 A 48 A p表示的意思是：启动I²C总线，发送数据A0（其实是芯片的地址），芯片应答，发送数据01（就是写入的地址），芯片应答，发送数据48（就是保存的数据），芯片应答，结束。看看，是否和前面说的流程一致？

程序这里不贴了，下载里都有，里面有详细的注释。

PS：在调试时遇到的一个问题，可能大家也会碰到，记录一下。

我本来是循环着往芯片里面写数据，然后读出来，显示到液晶上，这时读写都正常，形式如下：

for(i=0;i<字符串长度;i++)

{

save(‘a’)

read(‘a’)

}

后来我为了试验多显示几个字符，换了种方式，换成一次把所有数据都保存进去，再读出来，变成下面的形式（伪代码）：

save(‘a’)

save(‘b’)

save(‘c’)

read(1)

read(2)

read(3)

这时出现了一个问题，第一个能正常保存，第2个就不能保存，第3个又能保存，让我很是头疼。

后来分析了一下，前后两种代码的区别，就在于，第一种形式，保存后，又进行读取，相当于保存后进行了一定的延时，而第二种形式一直在保存，保存后没有延时，后来在第二种形式的save后，加上了延时，就一切正常了。

源代码下载：点击下载

IIC总线技术

　　IIC总线是微电子通信控制领域中被广泛采用的一种总线标准,具有接口线少,控制方式简单、器件封装外形小、通信速率高等特点。它仅通过两根线SDA和SCL即可实现完善的全双工同步数据传送,能够十分方便地构成多主机系统和外同器件扩展系统。

　　IIC总线数据传输只有任总线处于空闲状态时(SCL和SDA必须保证为高电平)才启动。IIC总线协议定义数据传输时序如图2所示,起始条件为当SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,数据开始传输;结束条件为当SCL为低电平时,SDA由低电平向高电平跳变,数据传输结束。传输过程中,当SCL高时,SDA必须始终保持稳定状态,此时出现任何跳变都被认为是起始或停止条件,只有当SCL为低电平的时候才允许SDA上的数据改变。

　　IIC总线上的数据格式如图3所示,由起始位(S)、从机地址码、读写控制位(R／W)、应答位(A)、数据和停止位(P)等组成。通信启动时,主器件先发送启动信号和从机地址,总线上每个器件都有自己的唯一地址,与地址与某一从器件相匹配时,该从器件发一应答位,主器件则认为寻址成功,然后根据R／W位确定的数据传送方向进行数据传输。若主器件长时间收不到应答位,则认为超时,放弃本次数据传输。通信停止时,主机发送一个停止信号。

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